异步通知

阻塞与非阻塞访问、 poll()函数提供了较好的解决设备访问的机制， 但是如果有了异步通知， 整套机制则更加完整了。

在设备驱动中使用异步通知可以使得在进行对设备的访问时， 由驱动主动通知应用程序进行访问。 这样， 使用非阻塞I/O的应用程序无须轮询设备是否可访问， 而阻塞访问也可以被类似“中断”的异步通知所取代。
除了异步通知以外， 应用还可以在发起I/O请求后， 立即返回。 之后， 再查询I/O完成情况， 或者I/O完成后被调回。 这个过程叫作异步I/O。

异步通知的意思是： 一旦设备就绪， 则主动通知应用程序， 这样应用程序根本就不需要查询设备状态， 这一点非常类似于硬件上“中断”的概念， 比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。 信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟， 在原理上， 一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。 信号是异步的， 一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达， 事实上， 进程也不知道信号到底什么时候到达。阻塞I/O意味着一直等待设备可访问后再访问， 非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问， 而异步通知则意味着设备通知用户自身可访问， 之后用户再进行I/O处理,即：由驱动发起，主动通知应用程序。 由此可见， 这几种I/O方式可以相互补充。

下面三张图分别呈现了阻塞I/O， 结合轮询的非阻塞I/O及基于SIGIO的异步通知在时间先后顺序上的不同：

注：阻塞、 非阻塞I/O、 异步通知本身没有优劣， 应该根据不同的应用场景合理选择

使用信号进行进程间通信（IPC） 是UNIX中的一种传统机制， Linux也支持这种机制。 在Linux中， 异步通知使用信号来实现。

在linux终端中输入“kill -l ”命令即可查看所有支持的信号，如下所示：

编号为1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)，编号为32 ~ 64的信号是后来扩充的，称做可靠信号(实时信号)。不可靠信号和可靠信号的区别在于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。

传统UNIX支持的信号及其定义如下表所示：

SIGABRTSIGFPE

在以上列出的信号中，程序不可捕获、阻塞或忽略的信号有：SIGKILL,SIGSTOP
不能恢复至默认动作的信号有：SIGILL,SIGTRAP
默认会导致进程流产的信号有：SIGABRT,SIGBUS,SIGFPE,SIGILL,SIGIOT,SIGQUIT,

SIGSEGV,SIGTRAP,SIGXCPU,SIGXFSZ
默认会导致进程退出的信号有：SIGALRM,SIGHUP,SIGINT,SIGKILL,SIGPIPE,SIGPOLL,

SIGPROF,SIGSYS,SIGTERM,SIGUSR1,SIGUSR2,

SIGVTALRM
默认会导致进程停止的信号有：SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU
默认进程忽略的信号有：SIGCHLD,SIGPWR,SIGURG,SIGWINCH

此外，SIGIO在SVR4是退出，在4.3BSD中是忽略；SIGCONT在进程挂起时是继续，否则是忽略，不能被阻塞。 

一个信号被捕获的意思是当一个信号到达时有相应的代码处理它。 如果一个信号没有被这个进程所捕获， 内核将采用默认行为处理。

信号的捕获

1、函数介绍

在用户程序中， 为了捕获信号， 可以使用signal()函数来设置对应信号的处理函数：

void (*signal(int signum, void (*handler))(int)))(int);

该函数原型较难理解， 它可以分解为：
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));
第一个参数指定信号的值， 

第二个参数指定针对前面信号值的处理函数， 若为SIG_IGN， 表示忽略该信号； 若为SIG_DFL， 表示采用系统默认方式处理信号； 若为用户自定义的函数， 则信号被捕获到后， 该函数将被执行。
如果signal()调用成功， 它返回最后一次为信号signum绑定的处理函数的handler值， 失败则返回SIG_ERR。

在进程执行时， 按下“Ctrl+C”将向其发出SIGINT信号， 正在运行kill的进程将向其发出SIGTERM信号， 以下代码的进程可捕获这两个信号并输出信号值：

void sigterm_handler(int signo)
{
    printf("Have caught sig N.O. %d\n", signo);
    exit(0);
}
int main(void)
{
    signal(SIGINT, sigterm_handler);
    signal(SIGTERM, sigterm_handler);
    while(1);
    return 0;

}

除了signal()函数外， sigaction()函数可用于改变进程接收到特定信号后的行为， 它的原型为：
int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));
第一个参数为信号的值， 可以是除SIGKILL及SIGSTOP外的任何一个特定有效的信号。 

第二个参数是指向结构体sigaction的一个实例的指针， 在结构体sigaction的实例中， 指定了对特定信号的处理函数， 若为空， 则进程会以缺省方式对信号处理； 

第三个参数oldact指向的对象用来保存原来对相应信号的处理函数， 可指定oldact为NULL。 如果把第二、 第三个参数都设为NULL， 那么该函数可用于检查信号的有效性。

2、例子说明

下面是一个使用信号实现异步通知的例子， 它通过signal（SIGIO， input_handler） 对标准输入文件描述符STDIN_FILENO启动信号机制。 用户输入后， 应用程序将接收到SIGIO信号， 其处理函数input_handler()将被调用， 如代码所示：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_LEN 100

void input_handler(int num)
{
    char data[MAX_LEN];
    int len;

    /* 读取并输出STDIN_FILENO上的输入 */
    len = read(STDIN_FILENO, &data, MAX_LEN);
    data[len] = 0;
    printf("input available:%s\n", data);
}

void main()
{
    int oflags;

    /* 启动信号驱动机制 */

    /*为SIGIO信号安装input_handler()作为处理函数*/
    signal(SIGIO, input_handler);

    /*设置本进程为STDIN_FILENO文件的拥有者，

     没有这一步，内核不会知道应该将信号发给哪个进程*/

    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETOWN, getpid());

    /*而为了启用异步通知机制， 还需对设备设置FASYNC标志，     下面两行行代码可实现此目的。 */
    oflags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, oflags | FASYNC);

    /* 最后进入一个死循环， 仅为保持进程不终止， 如果程序中
    没有这个死循会立即执行完毕 */
    while (1);
}

整个程序的执行效果如下图：

从中可以看出， 当用户输入一串字符后（如：hello world和hello

linux）， 标准输入设备释放SIGIO信号， 这个信号“中断”与驱使对应的应用程序中的input_handler()得以执行， 并将用户输入显示出来。

由此可见， 为了能在用户空间中处理一个设备释放的信号， 它必须完成3项工作。
1） 通过F_SETOWN IO控制命令设置设备文件的拥有者为本进程， 这样从设备驱动发出的信号才能被本进程接收到。
2） 通过F_SETFL IO控制命令设置设备文件以支持FASYNC， 即异步通知模式。
3） 通过signal()函数连接信号和信号处理函数。

信号的释放

在设备驱动和应用程序的异步通知交互中， 仅仅在应用程序端捕获信号是不够的， 因为信号的源头在设备驱动端。 因此， 应该在合适的时机让设备驱动释放信号， 在设备驱动程序中增加信号释放的相关代码。

为了使设备支持异步通知机制， 驱动程序中涉及3项工作。
1） 支持F_SETOWN命令， 能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应进程ID。 不过此项工作已由内核完成， 设备驱动无须处理。
2） 支持F_SETFL命令的处理， 每当FASYNC标志改变时， 驱动程序中的fasync()函数将得以执行。因此， 驱动中应该实现fasync()函数。
3） 在设备资源可获得时， 调用kill_fasync()函数激发相应的信号。
驱动中的上述3项工作和应用程序中的3项工作是一一对应的， 如下图所示为异步通知处理过程中用户空间和设备驱动的交互：

设备驱动中异步通知编程比较简单， 主要用到一项数据结构和两个函数。

数据结构是fasync_struct结构体， 两个函数分别是：
1） 处理FASYNC标志变更的函数。
int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);
2） 释放信号用的函数。
void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

和其他的设备驱动一样， 将fasync_struct结构体指针放在设备结构体中仍然是最佳选择， 如下代码清单给出了支持异步通知的设备结构体模板：
struct xxx_dev {
    struct cdev cdev; /* cdev结构体*/
    ...
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步结构体指针 */
};
在设备驱动的fasync()函数中， 只需要简单地将该函数的3个参数以及fasync_struct结构体指针的指针作为第4个参数传入fasync_helper()函数即可。

下面的代码清单给出了支持异步通知的设备驱动程序fasync()函数的模板。
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);
}
在设备资源可以获得时,应该调用kill_fasync()释放SIGIO信号。 在可读时， 第3个参数设置为POLL_IN， 在可写时， 第3个参数设置为POLL_OUT。

下面的代码清单给出了释放信号的范例:
static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,loff_t *f_pos)
{
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
    ...
    /* 产生异步读信号 */
    if (dev->async_queue)
        kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);
    ...
}
最后， 在文件关闭时， 即在设备驱动的release()函数中，应调用设备驱动的fasync()函数将文件从异步通知的列表中删除。

下面的代码给出了支持异步通知的设备驱动release()函数的模板。
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 将文件从异步通知列表中删除 */
    xxx_fasync(-1, filp, 0);
    ...
    return 0;
}