linux異步通知機制 與 fcntl 函數使用詳解

什麼是異步通知呢？

異步通知的意思就是，一旦裝置就緒，則主動通知應用程式，應用程式 根本就不需要查詢裝置狀态，類似于中斷的概念，一個程序收到一個信号與處理器收到一個中斷請求可以說是一樣的。信号是異步的，一個程序不必通過任何操作來 等待信号的到達。下面我們就看一下在linux中機制的實作方式。

在linux中，異步通知是使用信号來實作的，而在linux，大概有30種信号，比如大家熟悉的ctrl+c的SIGINT信号，程序能夠忽略或者捕獲除過SIGSTOP和SIGKILL的全部信号，當信号背捕獲以後，有相應的函數來處理它。

怎麼使用？

我們先總結用法 讓你們快速的知道使用方法：

為了使裝置支援異步通知機制，驅動程式中涉及以下3項工作：

1. 支援F_SETOWN指令，能在這個控制指令進行中設定filp->f_owner為對應程序ID。

   不過此項工作已由核心完成，裝置驅動無須處理。

2. 支援F_SETFL指令的處理，每當檔案的标志的FASYNC标志改變時，驅動程式中的fasync()函數将得以執行。

   驅動中應該實作fasync()函數。編寫的fasync()函數是struct file_operations結構體中的fasync成員。

   例如：

      static int fasync(int fd, struct file * file, int on)

{

int err;

err = fasync_helper(fd, file, on, &fasync);//這裡調用的是核心已經提供的函數不用我們編寫。前三個參數由上層調用闖入不用理會，

                                          //最後一個參數是我們自己要聲明的，struct fasync_struct *fasync;可以不用初始化；

if (err < 0)

return err;

return 0;

}

3. 在裝置資源可獲得時，調用kill_fasync()函數激發相應的信号

   原型為：

       void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)

例如：kill_fasync(&fasync,SIGIO,POLL_IN); 

            其中：POLL_IN表示的是可以寫資料了；

                     SIGIO與應用程式中signal的第一個參數相同；

                     fasync是上面中已經用過的struct fasync_struct *fasync；

應用程式中：

signal(int signum,  handler);    //指定信号（signum）的處理函數（handler），，

                                                //處理函數（handler）由自己編寫（有些信号系統有預設處理函數），無傳回值，參數                                                 //為一個int型信号。

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());  // 告訴核心，發給誰

Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);         //擷取檔案标記

fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);  // 改變fasync标記，最終會調用到驅動的faync > fasync_helper：

                                                               //初始化/釋放 fasync_struct

 fcntl 函數使用詳解

在這個過程中應該都很好了解 其中的fcntl函數功能比較強大，大家可以用man fcntl 命名得到幫助；下面我給出了詳細的解釋：

功能描述：根據檔案描述詞來操作檔案的特性。

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h> 

int fcntl(int fd, int cmd); 

int fcntl(int fd, int cmd, long arg); 

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

[描述]

fcntl()針對(檔案)描述符提供控制。參數fd是被參數cmd操作(如下面的描述)的描述符。針對cmd的值，fcntl能夠接受第三個參數int arg。

[傳回值]

fcntl()的傳回值與指令有關。如果出錯，所有指令都傳回－1，如果成功則傳回某個其他值。下列三個指令有特定傳回值：F_DUPFD , F_GETFD , F_GETFL以及F_GETOWN。

    F_DUPFD   傳回新的檔案描述符

    F_GETFD   傳回相應标志

    F_GETFL , F_GETOWN   傳回一個正的程序ID或負的程序組ID

fcntl函數有5種功能： 

1. 複制一個現有的描述符(cmd=F_DUPFD). 

2. 獲得／設定檔案描述符标記(cmd=F_GETFD或F_SETFD). 

3. 獲得／設定檔案狀态标記(cmd=F_GETFL或F_SETFL). 

4. 獲得／設定異步I/O所有權(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN). 

5. 獲得／設定記錄鎖(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).

1. cmd值的F_DUPFD ： 

F_DUPFD    傳回一個如下描述的(檔案)描述符：

        ·最小的大于或等于arg的一個可用的描述符

        ·與原始操作符一樣的某對象的引用

        ·如果對象是檔案(file)的話，則傳回一個新的描述符，這個描述符與arg共享相同的偏移量(offset)

        ·相同的通路模式(讀，寫或讀/寫)

        ·相同的檔案狀态标志(如：兩個檔案描述符共享相同的狀态标志)

        ·與新的檔案描述符結合在一起的close-on-exec标志被設定成交叉式通路execve(2)的系統調用

實際上調用dup(oldfd)；

等效于

        fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0);

而調用dup2(oldfd, newfd)；

等效于

        close(oldfd)；

        fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；

2. cmd值的F_GETFD和F_SETFD：      

F_GETFD    取得與檔案描述符fd聯合的close-on-exec标志，類似FD_CLOEXEC。如果傳回值和FD_CLOEXEC進行與運算結果是0的話，檔案保持交叉式通路exec()，否則如果通過exec運作的話，檔案将被關閉(arg 被忽略)        

F_SETFD    設定close-on-exec标志，該标志以參數arg的FD_CLOEXEC位決定，應當了解很多現存的涉及檔案描述符标志的程式并不使用常數 FD_CLOEXEC，而是将此标志設定為0(系統預設，在exec時不關閉)或1(在exec時關閉)    

在修改檔案描述符标志或檔案狀态标志時必須謹慎，先要取得現在的标志值，然後按照希望修改它，最後設定新标志值。不能隻是執行F_SETFD或F_SETFL指令，這樣會關閉以前設定的标志位。 

3. cmd值的F_GETFL和F_SETFL：   

F_GETFL    取得fd的檔案狀态标志，如同下面的描述一樣(arg被忽略)，在說明open函數時，已說明

了檔案狀态标志。不幸的是，三個存取方式标志 (O_RDONLY , O_WRONLY , 以及O_RDWR)并不各占1位。(這三種标志的值各是0 , 1和2，由于曆史原因，這三種值互斥 — 一個檔案隻能有這三種值之一。) 是以首先必須用屏蔽字O_ACCMODE相與取得存取方式位，然後将結果與這三種值相比較。       

F_SETFL    設定給arg描述符狀态标志，可以更改的幾個标志是：O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC。而fcntl的檔案狀态标志總共有7個：O_RDONLY , O_WRONLY , O_RDWR , O_APPEND , O_NONBLOCK , O_SYNC和O_ASYNC

可更改的幾個标志如下面的描述：

    O_NONBLOCK   非阻塞I/O，如果read(2)調用沒有可讀取的資料，或者如果write(2)操作将阻塞，則read或write調用将傳回-1和EAGAIN錯誤

    O_APPEND     強制每次寫(write)操作都添加在檔案大的末尾，相當于open(2)的O_APPEND标志

    O_DIRECT     最小化或去掉reading和writing的緩存影響。系統将企圖避免緩存你的讀或寫的資料。如果不能夠避免緩存，那麼它将最小化已經被緩存了的資料造成的影響。如果這個标志用的不夠好，将大大的降低性能

    O_ASYNC      當I/O可用的時候，允許SIGIO信号發送到程序組，例如：當有資料可以讀的時候

4. cmd值的F_GETOWN和F_SETOWN：   

F_GETOWN   取得目前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的程序id或程序組id，程序組id傳回的是負值(arg被忽略)     

F_SETOWN   設定将接收SIGIO和SIGURG信号的程序id或程序組id，程序組id通過提供負值的arg來說明(arg絕對值的一個程序組ID)，否則arg将被認為是程序id

 5. cmd值的F_GETLK, F_SETLK或F_SETLKW： 獲得／設定記錄鎖的功能，成功則傳回0，若有錯誤則傳回-1，錯誤原因存于errno。

F_GETLK    通過第三個參數arg(一個指向flock的結構體)取得第一個阻塞lock description指向的鎖。取得的資訊将覆寫傳到fcntl()的flock結構的資訊。如果沒有發現能夠阻止本次鎖(flock)生成的鎖，這個結構将不被改變，除非鎖的類型被設定成F_UNLCK    

F_SETLK    按照指向結構體flock的指針的第三個參數arg所描述的鎖的資訊設定或者清除一個檔案的segment鎖。F_SETLK被用來實作共享(或讀)鎖(F_RDLCK)或獨占(寫)鎖(F_WRLCK)，同樣可以去掉這兩種鎖(F_UNLCK)。如果共享鎖或獨占鎖不能被設定，fcntl()将立即傳回EAGAIN     

F_SETLKW   除了共享鎖或獨占鎖被其他的鎖阻塞這種情況外，這個指令和F_SETLK是一樣的。如果共享鎖或獨占鎖被其他的鎖阻塞，程序将等待直到這個請求能夠完成。當fcntl()正在等待檔案的某個區域的時候捕捉到一個信号，如果這個信号沒有被指定SA_RESTART, fcntl将被中斷

當一個共享鎖被set到一個檔案的某段的時候，其他的程序可以set共享鎖到這個段或這個段的一部分。共享鎖阻止任何其他程序set獨占鎖到這段保護區域的任何部分。如果檔案描述符沒有以讀的通路方式打開的話，共享鎖的設定請求會失敗。

獨占鎖阻止任何其他的程序在這段保護區域任何位置設定共享鎖或獨占鎖。如果檔案描述符不是以寫的通路方式打開的話，獨占鎖的請求會失敗。

結構體flock的指針：

struct flcok 

{ 

short int l_type;

//以下的三個參數用于分段對檔案加鎖，若對整個檔案加鎖，則：l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0

short int l_whence;  

off_t l_start;  

off_t l_len;

pid_t l_pid;  

};

l_type 有三種狀态： 

F_RDLCK   建立一個供讀取用的鎖定 

F_WRLCK   建立一個供寫入用的鎖定 

F_UNLCK   删除之前建立的鎖定

l_whence 也有三種方式： 

SEEK_SET   以檔案開頭為鎖定的起始位置 

SEEK_CUR   以目前檔案讀寫位置為鎖定的起始位置 

SEEK_END   以檔案結尾為鎖定的起始位置

fcntl檔案鎖有兩種類型：建議性鎖和強制性鎖

建議性鎖是這樣規定的：每個使用上鎖檔案的程序都要檢查是否有鎖存在，當然還得尊重已有的鎖。核心和系統總體上都堅持不使用建議性鎖，它們依靠程式員遵守這個規定。

強制性鎖是由核心執行的：當檔案被上鎖來進行寫入操作時，在鎖定該檔案的程序釋放該鎖之前，核心會阻止任何對該檔案的讀或寫通路，每次讀或寫通路都得檢查鎖是否存在。

系統預設fcntl都是建議性鎖，強制性鎖是非POSIX标準的。如果要使用強制性鎖，要使整個系統可以使用強制性鎖，那麼得需要重新挂載檔案系統，mount使用參數 -0 mand 打開強制性鎖，或者關閉已加鎖檔案的組執行權限并且打開該檔案的set-GID權限位。

建議性鎖隻在cooperating processes之間才有用。對cooperating process的了解是最重要的，它指的是會影響其它程序的程序或被别的程序所影響的程序，舉兩個例子：

(1) 我們可以同時在兩個視窗中運作同一個指令，對同一個檔案進行操作，那麼這兩個程序就是cooperating  processes

(2) cat file | sort，那麼cat和sort産生的程序就是使用了pipe的cooperating processes

使用fcntl檔案鎖進行I/O操作必須小心：程序在開始任何I/O操作前如何去處理鎖，在對檔案解鎖前如何完成所有的操作，是必須考慮的。如果在設定鎖之前打開檔案，或者讀取該鎖之後關閉檔案，另一個程序就可能在上鎖/解鎖操作和打開/關閉操作之間的幾分之一秒内通路該檔案。當一個程序對檔案加鎖後，無論它是否釋放所加的鎖，隻要檔案關閉，核心都會自動釋放加在檔案上的建議性鎖(這也是建議性鎖和強制性鎖的最大差別)，是以不要想設定建議性鎖來達到永久不讓别的程序通路檔案的目的(強制性鎖才可以)；強制性鎖則對所有程序起作用。

fcntl使用三個參數 F_SETLK/F_SETLKW， F_UNLCK和F_GETLK 來分别要求、釋放、測試record locks。record locks是對檔案一部分而不是整個檔案的鎖，這種細緻的控制使得程序更好地協作以共享檔案資源。fcntl能夠用于讀取鎖和寫入鎖，read lock也叫shared lock(共享鎖)， 因為多個cooperating process能夠在檔案的同一部分建立讀取鎖；write lock被稱為exclusive lock(排斥鎖)，因為任何時刻隻能有一個cooperating process在檔案的某部分上建立寫入鎖。如果cooperating processes對檔案進行操作，那麼它們可以同時對檔案加read lock，在一個cooperating process加write lock之前，必須釋放别的cooperating process加在該檔案的read lock和wrtie lock，也就是說，對于檔案隻能有一個write lock存在，read lock和wrtie lock不能共存。

下面的例子使用F_GETFL擷取fd的檔案狀态标志。

#include<fcntl.h>

#include<unistd.h>

#include<iostream>

#include<errno.h>

using namespace std;

int main(int argc,char* argv[])

{

  int fd, var;

  //  fd=open("new",O_RDWR);

  if (argc!=2)

  {

      perror("--");

      cout<<"請輸入參數，即檔案名！"<<endl;

  }

  if((var=fcntl(atoi(argv[1]), F_GETFL, 0))<0)

  {

     strerror(errno);

     cout<<"fcntl file error."<<endl;

  }

  switch(var & O_ACCMODE)

  {

   case O_RDONLY : cout<<"Read only.."<<endl;

                   break;

   case O_WRONLY : cout<<"Write only.."<<endl;

                   break;

   case O_RDWR   : cout<<"Read wirte.."<<endl;

                   break;

   default  : break;

  }

 if (val & O_APPEND)

    cout<<",append"<<endl;

 if (val & O_NONBLOCK)

    cout<<",noblocking"<<endl;

 cout<<"exit 0"<<endl;

 exit(0);

}

 裝置驅動中異步通知程式設計還是比較簡單的，主要就是一些資料結構，和兩個函數：

資料結構：fasync_struct結構體

函數：1）處理FASYNC标志變更的函數int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode ,struct fasync_struct **fa);

        2) 釋放信号用的函數void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

和其他裝置驅動一樣，一般将fasync_struct放到裝置結構體中。下邊是典型模版：

struct xxx_dev

{

    struct cdev cdev;

    ...

    struct fasync_struct *async_queue;  //異步結構體

}

而在驅動的fasync()函數中，隻需要簡單的将該參數的3個參數以及fasync_struct結構體指針的指針作為第四個參數傳給fasync_helper函數即可.下邊是典型模版:

static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)

{

    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

    return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);

}

一旦裝置資源可以獲得時,應該調用kill_fasync()釋放SIGIO信号,可讀時第三個參數設定為POLL_IN,可寫時第三個參數設定為POLL_OUT,下邊是釋放信号的典型模版：

static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,loff_t *f_ops)

{

  struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

     ....

     //産生異步信号

  if(dev->async_queue)

  {

     kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);

  }

  ..

}

最後，在檔案關閉時，即在裝置驅動的release函數中，應調用裝置驅動的fasync()函數将檔案從異步通知的清單中删除，下邊是裝置驅動的釋放函數的典型模版:

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

    //将檔案從異步通知清單中删除

  xxx_fasync(-1,filp,0);

    ...

    return 0;

}