深入理解Linux驱动：探讨poll驱动的实现原理(linux驱动poll)

Linux驱动是连接用户空间和内核空间的重要桥梁，它实现了对硬件设备的读写操作，并将设备的状态、控制信息等反馈给用户。其中，poll驱动是一个常用的输入/输出多路复用的方法，它允许一个进程等待并同时监视多个文件描述符（fd）。在本文中，我们将深入探讨poll驱动的实现原理，以更好地理解Linux系统的工作原理。

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一、poll驱动概述

poll驱动是Linux内核提供的多路复用驱动，它允许一个进程等待并同时监视多个文件描述符（fd）。在常见的网络编程中，经常会使用到poll驱动，以实现事件驱动IO模型，同时管理多个socket连接。

poll驱动的实现原理是基于select系统调用的，由于select系统调用有诸多限制，例如需要轮询所有文件描述符、不能同时监听太多文件描述符等，因此Linux内核采用了poll驱动的方式。与select系统调用相比，poll驱动可以监听更多的文件描述符和更多的事件类型，并且使用起来更为方便。

二、poll驱动的使用方法

poll驱动的使用方法与select类似，只不过它支持更多的事件类型和更多的文件描述符。下面是poll系统调用的一般用法：

“`

#include

int poll(struct pollfd * fds, nfds_t nfds, int timeout);

“`

其中，pollfd结构体定义如下：

“`

struct pollfd {

int fd; /* 文件描述符 */

short events; /* 监控的事件 */

short revents; /* 实际发生的事件 */

};

“`

示例代码：

“`

#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 秒钟 */

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;

}

“`

以上示例代码定义了两个结构体，一个用于监听标准输入文件描述符，一个用于监听标准输出文件描述符。在poll系统调用返回时，程序会根据各个文件描述符的实际情况来更新结构体中的revents字段，从而判断当前所发生的事件类型。

三、poll驱动的实现原理

poll驱动的核心实现是基于Linux内核的定时器和位图机制。在调用poll系统调用时，内核会为当前进程创建一个poll_table结构，用于管理需要监视的文件描述符和相应的事件类型。poll_table结构定义如下：

“`

struct poll_table_struct {

poll_queue_proc qproc; /* 描述符/指针的回调函数 */

wt_queue_head_t wt; /* 等待队列头 */

struct poll_table_page * entry; /* 事件表的起始页 */

unsigned long * bitset; /* 位图指针 */

unsigned long * page; /* 当前页指针 */

unsigned int offset; /* 当前页位图的偏移量 */

unsigned int max_index; /* 更大位图下标 */

unsigned long mark; /* 活动文件描述符上的标记 */

};

“`

其中，bitset指向位图指针，而page则指向事件表的当前页。在poll驱动的实现过程中，内核会将所有需要监听的文件描述符的位图标记为1，然后将其注册到poll_table结构的等待队列中。此时，如果发生了需要监听的事件，内核就会把等待队列中所有标记为1的描述符从位图中删除，并且向poll_table结构的等待队列头中添加一个唤醒poll系统调用的wt_queue_entry_t。

四、poll驱动的优化思路

poll驱动作为一个常用的多路复用驱动，其实现方式也开始逐步优化。目前较为流行的优化方法主要有两种：边缘触发和水平触发。边缘触发与水平触发的主要区别在于数据可读可写时处理的方式不同。

边缘触发：仅当fd发生“边缘事件”（如读写事件）时才返回，需要立刻处理，否则就会“错过”该事件。对于一个可读的fd，连续多次调用poll或者select，如果没有读取掉且fd变为不可读就会出现“错过”的情况。

水平触发：只要fd是可读可写的就会不断地触发，需要反复处理。

相关问题拓展阅读：

• Handler消息机制（一）：Linux的epoll机制
• linux驱动程序中怎么做api函数供应用程序调用

Handler消息机制（一）：Linux的epoll机制

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。

相比select模型，

poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制

，但其稿闹他三个缺点依然存在。

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下兆敬答，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资族慧源)

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有

添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法

。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll结构示意图

通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

events可以是以下几个宏的：

EPOLLIN：触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；

EPOLLOUT：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；

EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；

EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；

EPOLLHUP： 表示对应的文件描述符被挂断；

EPOLLET：将EPOLL设为边缘触发(EdgeTriggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。

EPOLLONESHOT： 只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。

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，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告知。然后它会假设用户知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次，若数据没有读完，下一次不会通知，直到有新的就绪数据)

LT(LevelTriggered)

:缺省工作方式，支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了，然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作，内核还是会继续通知！若数据没有读完，内核也会继续通知，直至设备数据为空为止！

1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符

\2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据

\3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作

\4. 然后我们读取了1KB的数据

\5. 调用epoll_wait(2)……

ET工作模式：

如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，在第2步执行了一个写操作，第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf))，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

LT工作模式：

LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。

当调用 epoll_wait检查是否有发生事件的连接时，只是检查 eventpoll对象中的 rdllist双向链表是否有 epitem元素而已，如果 rdllist链表不为空，则把这里的事件复制到用户态内存中，同时将事件数量返回给用户。因此，epoll_wait的效率非常高。epoll_ctl在向 epoll对象中添加、修改、删除事件时，从 rbr红黑树中查找事件也非常快，也就是说，epoll是非常高效的，它可以轻易地处理百万级别的并发连接。

1.减少用户态和内核态之间的文件句柄拷贝；

2.减少对可读可写文件句柄的遍历。

linux驱动程序中怎么做api函数供应用程序调用

以下是国嵌教学视频中的部分驱动代码及应用程序代码：

********************************************************************

//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

/*打开设耐樱哪备文件*/

fp0 = fopen(“/dev/memdev0″,”r+”);

/*写入设备*/

fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有昌码何后果)*/

fseek(fp0,0,SEEK_SET);//调用mem_llseek（）定位

/*读出设备*/

fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

调用的函数名与如fopen,fwrite,fread,fseek与file_operation中的指针名open,write.read,llseek不一样，内核是如何颂码知道应该调用哪个函数的？

linux所有的设备以文件方式让用户使用，一般都在/dev目录下，要操作简猛一个设备就直接读写该设备的文件。

那些文件操作，如open,close,ioctl,read,write,poll等就是驱动提供给用户的接口，编写驱动就是实锋咐耐现银春这些函数的功能。

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