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Linux驅(qū)動是連接用戶空間和內(nèi)核空間的重要橋梁，它實現(xiàn)了對硬件設(shè)備的讀寫操作，并將設(shè)備的狀態(tài)、控制信息等反饋給用戶。其中，poll驅(qū)動是一個常用的輸入/輸出多路復(fù)用的方法，它允許一個進(jìn)程等待并同時監(jiān)視多個文件描述符（fd）。在本文中，我們將深入探討poll驅(qū)動的實現(xiàn)原理，以更好地理解Linux系統(tǒng)的工作原理。
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一、poll驅(qū)動概述
poll驅(qū)動是Linux內(nèi)核提供的多路復(fù)用驅(qū)動，它允許一個進(jìn)程等待并同時監(jiān)視多個文件描述符（fd）。在常見的網(wǎng)絡(luò)編程中，經(jīng)常會使用到poll驅(qū)動，以實現(xiàn)事件驅(qū)動IO模型，同時管理多個socket連接。
poll驅(qū)動的實現(xiàn)原理是基于select系統(tǒng)調(diào)用的，由于select系統(tǒng)調(diào)用有諸多限制，例如需要輪詢所有文件描述符、不能同時監(jiān)聽太多文件描述符等，因此Linux內(nèi)核采用了poll驅(qū)動的方式。與select系統(tǒng)調(diào)用相比，poll驅(qū)動可以監(jiān)聽更多的文件描述符和更多的事件類型，并且使用起來更為方便。
二、poll驅(qū)動的使用方法
poll驅(qū)動的使用方法與select類似，只不過它支持更多的事件類型和更多的文件描述符。下面是poll系統(tǒng)調(diào)用的一般用法：
“`
#include
int poll(struct pollfd * fds, nfds_t nfds, int timeout);
“`
其中，pollfd結(jié)構(gòu)體定義如下：
“`
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 */
short events; /* 監(jiān)控的事件 */
short revents; /* 實際發(fā)生的事件 */
};
“`
示例代碼：
“`
#include
#include
int mn(void)
{
struct pollfd fds[2];
int ret;
fds[0].fd = STDIN_FILENO;
fds[0].events = POLLIN;
fds[1].fd = STDOUT_FILENO;
fds[1].events = POLLOUT;
ret = poll(fds, 2, 5000); /* 等待 5 秒鐘 */
if (ret
perror(“poll error”);
return -1;
}
if (ret == 0) {
printf(“timeout\n”);
return 0;
}
if (fds[0].revents & POLLIN) {
printf(“input event\n”);
}
if (fds[1].revents & POLLOUT) {
printf(“output event\n”);
}
return 0;
}
“`
以上示例代碼定義了兩個結(jié)構(gòu)體，一個用于監(jiān)聽標(biāo)準(zhǔn)輸入文件描述符，一個用于監(jiān)聽標(biāo)準(zhǔn)輸出文件描述符。在poll系統(tǒng)調(diào)用返回時，程序會根據(jù)各個文件描述符的實際情況來更新結(jié)構(gòu)體中的revents字段，從而判斷當(dāng)前所發(fā)生的事件類型。
三、poll驅(qū)動的實現(xiàn)原理
poll驅(qū)動的核心實現(xiàn)是基于Linux內(nèi)核的定時器和位圖機制。在調(diào)用poll系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核會為當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建一個poll_table結(jié)構(gòu)，用于管理需要監(jiān)視的文件描述符和相應(yīng)的事件類型。poll_table結(jié)構(gòu)定義如下：
“`
struct poll_table_struct {
poll_queue_proc qproc; /* 描述符/指針的回調(diào)函數(shù) */
wt_queue_head_t wt; /* 等待隊列頭 */
struct poll_table_page * entry; /* 事件表的起始頁 */
unsigned long * bitset; /* 位圖指針 */
unsigned long * page; /* 當(dāng)前頁指針 */
unsigned int offset; /* 當(dāng)前頁位圖的偏移量 */
unsigned int max_index; /* 更大位圖下標(biāo) */
unsigned long mark; /* 活動文件描述符上的標(biāo)記 */
};
“`
其中，bitset指向位圖指針，而page則指向事件表的當(dāng)前頁。在poll驅(qū)動的實現(xiàn)過程中，內(nèi)核會將所有需要監(jiān)聽的文件描述符的位圖標(biāo)記為1，然后將其注冊到poll_table結(jié)構(gòu)的等待隊列中。此時，如果發(fā)生了需要監(jiān)聽的事件，內(nèi)核就會把等待隊列中所有標(biāo)記為1的描述符從位圖中刪除，并且向poll_table結(jié)構(gòu)的等待隊列頭中添加一個喚醒poll系統(tǒng)調(diào)用的wt_queue_entry_t。
四、poll驅(qū)動的優(yōu)化思路
poll驅(qū)動作為一個常用的多路復(fù)用驅(qū)動，其實現(xiàn)方式也開始逐步優(yōu)化。目前較為流行的優(yōu)化方法主要有兩種：邊緣觸發(fā)和水平觸發(fā)。邊緣觸發(fā)與水平觸發(fā)的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)可讀可寫時處理的方式不同。
邊緣觸發(fā)：僅當(dāng)fd發(fā)生“邊緣事件”（如讀寫事件）時才返回，需要立刻處理，否則就會“錯過”該事件。對于一個可讀的fd，連續(xù)多次調(diào)用poll或者select，如果沒有讀取掉且fd變?yōu)椴豢勺x就會出現(xiàn)“錯過”的情況。
水平觸發(fā)：只要fd是可讀可寫的就會不斷地觸發(fā)，需要反復(fù)處理。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Handler消息機制（一）：Linux的epoll機制
- linux驅(qū)動程序中怎么做api函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用
Handler消息機制（一）：Linux的epoll機制
在linux 沒有實現(xiàn)epoll事件驅(qū)動機制之前，我們一般選擇用select或者poll等IO多路復(fù)用的方法來實現(xiàn)并發(fā)服務(wù)程序。在linux新的內(nèi)核中，有了一種替換它的機制，就是epoll。
相比select模型，
poll使用鏈表保存文件描述符，因此沒有了監(jiān)視文件數(shù)量的限制
，但其稿鬧他三個缺點依然存在。
假設(shè)我們的服務(wù)器需要支持100萬的并發(fā)連接，則在__FD_SETSIZE 為1024的情況下兆敬答，則我們至少需要開辟1k個進(jìn)程才能實現(xiàn)100萬的并發(fā)連接。除了進(jìn)程間上下文切換的時間消耗外，從內(nèi)核/用戶空間大量的無腦內(nèi)存拷貝、數(shù)組輪詢等，是系統(tǒng)難以承受的。因此，基于select模型的服務(wù)器程序，要達(dá)到10萬級別的并發(fā)訪問，是一個很難完成的任務(wù)。
由于epoll的實現(xiàn)機制與select/poll機制完全不同，上面所說的 select的缺點在epoll上不復(fù)存在。
設(shè)想一下如下場景：有100萬個客戶端同時與一個服務(wù)器進(jìn)程保持著TCP連接。而每一時刻，通常只有幾百上千個TCP連接是活躍的(事實上大部分場景都是這種情況)。如何實現(xiàn)這樣的高并發(fā)？
在select/poll時代，服務(wù)器進(jìn)程每次都把這100萬個連接告訴操作系統(tǒng)(從用戶態(tài)復(fù)制句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到內(nèi)核態(tài))，讓操作系統(tǒng)內(nèi)核去查詢這些套接字上是否有事件發(fā)生，輪詢完后，再將句柄數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶態(tài)，讓服務(wù)器應(yīng)用程序輪詢處理已發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件，這一過程資源消耗較大，因此，select/poll一般只能處理幾千的并發(fā)連接。
epoll的設(shè)計和實現(xiàn)與select完全不同。epoll通過在Linux內(nèi)核中申請一個簡易的文件系統(tǒng)(文件系統(tǒng)一般用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)？B+樹)。把原先的select/poll調(diào)用分成了3個部分：
1）調(diào)用epoll_create()建立一個epoll對象(在epoll文件系統(tǒng)中為這個句柄對象分配資族慧源)
2）調(diào)用epoll_ctl向epoll對象中添加這100萬個連接的套接字
3）調(diào)用epoll_wait收集發(fā)生的事件的連接
如此一來，要實現(xiàn)上面說是的場景，只需要在進(jìn)程啟動時建立一個epoll對象，然后在需要的時候向這個epoll對象中添加或者刪除連接。同時，epoll_wait的效率也非常高，因為調(diào)用epoll_wait時，并沒有一股腦的向操作系統(tǒng)復(fù)制這100萬個連接的句柄數(shù)據(jù)，內(nèi)核也不需要去遍歷全部的連接。
當(dāng)某一進(jìn)程調(diào)用epoll_create方法時，Linux內(nèi)核會創(chuàng)建一個eventpoll結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關(guān)。eventpoll結(jié)構(gòu)體如下所示：
每一個epoll對象都有一個獨立的eventpoll結(jié)構(gòu)體，用于存放通過epoll_ctl方法向epoll對象中添加進(jìn)來的事件。這些事件都會掛載在紅黑樹中，如此，重復(fù)添加的事件就可以通過紅黑樹而高效的識別出來(紅黑樹的插入時間效率是lgn，其中n為樹的高度)。
而所有
添加到epoll中的事件都會與設(shè)備(網(wǎng)卡)驅(qū)動程序建立回調(diào)關(guān)系，也就是說，當(dāng)相應(yīng)的事件發(fā)生時會調(diào)用這個回調(diào)方法
。這個回調(diào)方法在內(nèi)核中叫ep_poll_callback,它會將發(fā)生的事件添加到rdlist雙鏈表中。
在epoll中，對于每一個事件，都會建立一個epitem結(jié)構(gòu)體，如下所示：
當(dāng)調(diào)用epoll_wait檢查是否有事件發(fā)生時，只需要檢查eventpoll對象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不為空，則把發(fā)生的事件復(fù)制到用戶態(tài)，同時將事件數(shù)量返回給用戶。
epoll結(jié)構(gòu)示意圖
通過紅黑樹和雙鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合回調(diào)機制，造就了epoll的高效。
events可以是以下幾個宏的：
EPOLLIN：觸發(fā)該事件，表示對應(yīng)的文件描述符上有可讀數(shù)據(jù)。(包括對端SOCKET正常關(guān)閉)；
EPOLLOUT：觸發(fā)該事件，表示對應(yīng)的文件描述符上可以寫數(shù)據(jù)；
EPOLLPRI：表示對應(yīng)的文件描述符有緊急的數(shù)據(jù)可讀（這里應(yīng)該表示有帶外數(shù)據(jù)到來）；
EPOLLERR：表示對應(yīng)的文件描述符發(fā)生錯誤；
EPOLLHUP： 表示對應(yīng)的文件描述符被掛斷；
EPOLLET：將EPOLL設(shè)為邊緣觸發(fā)(EdgeTriggered)模式，這是相對于水平觸發(fā)(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT： 只監(jiān)聽一次事件，當(dāng)監(jiān)聽完這次事件之后，如果還需要繼續(xù)監(jiān)聽這個socket的話，需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里。
示例：
ET(EdgeTriggered)
:高速工作模式，只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下，當(dāng)描述符從未就緒變?yōu)榫途w時，內(nèi)核通過epoll告知。然后它會假設(shè)用戶知道文件描述符已經(jīng)就緒，并且不會再為那個文件描述符發(fā)送更多的就緒通知，直到某些操作導(dǎo)致那個文件描述符不再為就緒狀態(tài)了。(觸發(fā)模式只在數(shù)據(jù)就緒時通知一次，若數(shù)據(jù)沒有讀完，下一次不會通知，直到有新的就緒數(shù)據(jù))
LT(LevelTriggered)
:缺省工作方式，支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下內(nèi)核會告知一個文件描述符是否就緒了，然后可以對這個就緒的fd進(jìn)行IO操作。如果不作任何操作，內(nèi)核還是會繼續(xù)通知！若數(shù)據(jù)沒有讀完，內(nèi)核也會繼續(xù)通知，直至設(shè)備數(shù)據(jù)為空為止！
1.我們已經(jīng)把一個用來從管道中讀取數(shù)據(jù)的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
\2. 這個時候從管道的另一端被寫入了2KB的數(shù)據(jù)
\3. 調(diào)用epoll_wait(2)，并且它會返回RFD，說明它已經(jīng)準(zhǔn)備好讀取操作
\4. 然后我們讀取了1KB的數(shù)據(jù)
\5. 調(diào)用epoll_wait(2)……
ET工作模式：
如果我們在第1步將RFD添加到epoll描述符的時候使用了EPOLLET標(biāo)志，在第2步執(zhí)行了一個寫操作，第三步epoll_wait會返回同時通知的事件會銷毀。因為第4步的讀取操作沒有讀空文件輸入緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此我們在第5步調(diào)用epoll_wait(2)完成后，是否掛起是不確定的。epoll工作在ET模式的時候，必須使用非阻塞套接口，以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務(wù)餓死。
只有當(dāng)read(2)或者write(2)返回EAGAIN時(認(rèn)為讀完)才需要掛起，等待。但這并不是說每次read()時都需要循環(huán)讀，直到讀到產(chǎn)生一個EAGAIN才認(rèn)為此次事件處理完成，當(dāng)read()返回的讀到的數(shù)據(jù)長度小于請求的數(shù)據(jù)長度時(即小于sizeof(buf))，就可以確定此時緩沖中已沒有數(shù)據(jù)了，也就可以認(rèn)為此事讀事件已處理完成。
LT工作模式：
LT方式調(diào)用epoll接口的時候，它就相當(dāng)于一個速度比較快的poll(2)，并且無論后面的數(shù)據(jù)是否被使用，因此他們具有同樣的職能。
當(dāng)調(diào)用 epoll_wait檢查是否有發(fā)生事件的連接時，只是檢查 eventpoll對象中的 rdllist雙向鏈表是否有 epitem元素而已，如果 rdllist鏈表不為空，則把這里的事件復(fù)制到用戶態(tài)內(nèi)存中，同時將事件數(shù)量返回給用戶。因此，epoll_wait的效率非常高。epoll_ctl在向 epoll對象中添加、修改、刪除事件時，從 rbr紅黑樹中查找事件也非?？?，也就是說，epoll是非常高效的，它可以輕易地處理百萬級別的并發(fā)連接。
1.減少用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的文件句柄拷貝；
2.減少對可讀可寫文件句柄的遍歷。
linux驅(qū)動程序中怎么做api函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用
以下是國嵌教學(xué)視頻中的部分驅(qū)動代碼及應(yīng)用程序代碼：
********************************************************************
//memdev.c
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
**********************************************************************
//app-mem.c
/*打開設(shè)耐櫻哪備文件*/
fp0 = fopen(“/dev/memdev0″,”r+”);
/*寫入設(shè)備*/
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*重新定位文件位置（思考沒有該指令，會有昌碼何后果)*/
fseek(fp0,0,SEEK_SET);//調(diào)用mem_llseek（）定位
/*讀出設(shè)備*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
調(diào)用的函數(shù)名與如fopen,fwrite,fread,fseek與file_operation中的指針名open,write.read,llseek不一樣，內(nèi)核是如何頌碼知道應(yīng)該調(diào)用哪個函數(shù)的？
linux所有的設(shè)備以文件方式讓用戶使用，一般都在/dev目錄下，要操作簡猛一個設(shè)備就直接讀寫該設(shè)備的文件。
那些文件操作，如open,close,ioctl,read,write,poll等就是驅(qū)動提供給用戶的接口，編寫驅(qū)動就是實鋒咐耐現(xiàn)銀春這些函數(shù)的功能。
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文章題目：深入理解Linux驅(qū)動：探討poll驅(qū)動的實現(xiàn)原理(linux驅(qū)動poll)
標(biāo)題路徑：http://m.fisionsoft.com.cn/article/cccocde.html
