Linux设备驱动中的轮询机制实战：select/poll/epoll原理与驱动程序poll方法实现

轮询操作

在 I/O 编程领域，轮询是一种高效的 I/O 监控策略。它指程序不进入休眠，而是主动、周期性地查询一个或多个 I/O 资源（如文件描述符或设备）是否已准备好进行读写操作。

在经典的 Linux I/O模型 中，轮询操作是实现I/O多路复用 (I/O Multiplexing) 的核心，有效解决了传统阻塞I/O模式的瓶颈：

1. 避免单点阻塞： 防止进程因等待单一I/O操作而被长期挂起，从而提升系统整体的并发处理能力与响应速度。
2. 高效集中监控： 允许单个线程或进程同时监控大量的文件描述符（如网络套接字、设备文件），并在其中任何一个就绪时立即获得通知。
3. 非阻塞I/O基石： 为用户空间的非阻塞 I/O 操作提供了就绪状态判定的基础。

用户空间应用中的轮询编程

在用户空间的应用程序中，“轮询”通常特指使用特定的系统调用来集中监控多个文件描述符的状态，这是实现I/O多路复用的主要手段。

无论使用select、poll还是epoll，应用程序的基本逻辑都是统一的：

1. 将需要监控的文件描述符集合传递给系统调用。
2. 程序“阻塞”在该系统调用上（这是一种可控、高效的阻塞）。
3. 系统调用会等待，直到至少一个文件描述符就绪（可读、可写或出现异常）、达到指定的超时时间或被信号中断。
4. 调用返回后，程序轮询检查就绪的描述符，并对它们执行相应的read或write操作。

内核驱动中的轮询方法实现

当用户空间调用select/poll/epoll时，内核最终会调用到对应设备驱动程序的.poll方法。该方法的职责非常明确：

1. 注册等待上下文：将发起调用的用户进程信息注册到驱动内部的等待队列中。
2. 立即报告状态：返回设备当前的可读/可写等就绪状态。

一个完整的驱动poll方法实现包含两个核心步骤：注册等待与返回掩码。

第一步：注册等待 (poll_wait)

使用poll_wait函数将当前文件的等待队列注册到poll_table中。这并不会使进程休眠，只是建立一个“当事件发生时唤醒谁”的关联。

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;

    // 注册等待：将当前进程添加到驱动的读/写等待队列
    poll_wait(filp, &dev->read_wait, wait);
    poll_wait(filp, &dev->write_wait, wait);

    // ... 接下来检查并返回设备状态 ...
}

第二步：返回就绪掩码 (Bitmask)

根据设备当前的实际状态，返回一个位掩码，向内核报告设备是否可读、可写或存在异常。

static unsigned int xxx_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
    struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
    unsigned int mask = 0;

    // 1. 注册等待队列
    poll_wait(filp, &dev->read_wait, wait);
    poll_wait(filp, &dev->write_wait, wait);

    // 2. 检查并返回状态掩码
    // 检查是否有数据可读
    if (dev_has_data(dev)) {
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM; // 标示可读
    }
    // 检查是否有空间可写
    if (dev_has_space(dev)) {
        mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; // 标示可写
    }

    return mask;
}

最终流程：

• 如果驱动返回的掩码mask不为0（表示设备已就绪），用户空间的select/poll/epoll调用将立即返回，告知应用程序可以进行I/O操作。
• 如果掩码为0（表示设备未就绪），用户进程将在系统调用中休眠，直到驱动程序在未来的某个时刻（例如，数据到达或缓冲区空出）调用wake_up_interruptible()等函数唤醒相关等待队列上的进程。