支持异步IO的Linux字符设备驱动程序

Linux 2.6内核新引入的AIO（异步IO）机制可以让应用程序发起多个IO请求，而不用等待IO完成。一般来说，块设备和网络设备驱动程序已经是异步的了，无需为支持AIO而做特别的改动；但是字符设备驱动程序却需要实现新的接口才可以支持AIO。字符设备为支持AIO而需要实现的接口定义在file_operations结构体中：

这是较新版本内核代码（笔者参考的是2.6.28.6版本的内核代码）中的定义。《Linux设备驱动开发详解（第2版）》以及网上搜索到的很多文章给出的接口定义不是这样的：没有使用iovec结构体，而是直接使用缓冲区指针char __user* buf，这是较老版本内核代码的定义。

aio_read和aio_write分别用于执行异步读写操作；aio_fsync与fsync类似，用于确保所有数据都写入到磁盘了，一般不需要实现这个接口。

要注意区分两种异步机制的差别：

1．异步IO就绪通知机制：适当的时候驱动程序调用kill_fasync()函数，使用信号SIGIO通知应用程序，设备准备就绪，可以执行IO操作了。

2．异步IO机制：应用程序发起多个IO请求，排队等待处理。异步IO与非阻塞IO的相同点是，应用程序不会阻塞。但是非阻塞IO中，如果设备资源不可用，则驱动程序返回EAGAIN，应用程序需要在适当的时候进行重试，直到资源可用，IO请求成功执行。而使用异步IO时，如果设备资源不可用，IO请求会排队等待处理，驱动程序返回EIOCBQUEUED，应用程序不需要进行重试。

本文论述如何让Linux字符设备驱动程序支持第2种异步机制。

1发起IO操作

aio_read和aio_write用于发起异步IO操作。不论设备资源是否可用，这两个接口都不应该阻塞。如果资源可用，接口应该执行请求的操作，返回操作结果；如果不可用，则应该记录IO请求，以便随后设备资源可用时再执行IO操作，然后返回EIOCBQUEUED表示IO操作请求正在排队等待处理。

《Linux设备驱动开发详解（第2版）》以及网上搜索到的很多文章给出的例子实际上是不正确的：延迟一段时间之后再返回“同步IO”的结果，这并不是异步IO。实现异步IO能力的要点在于：

l 不能立即执行请求的操作时，记录IO请求

l 资源可用时再执行记录下的IO请求，返回操作结果

笔者为《Linux设备驱动开发详解（第2版）》给出的globalfifo字符设备驱动程序增加了异步IO能力，其中记录IO请求的代码如下：

l 第一部分：如果是同步IO，或者可以立即执行请求的IO操作，则进行IO操作。内核代码定义的宏is_sync_kiocb（）表示是否是“同步IO”请求。“同步IO”请求使得必要时可以同步地使用AIO子系统。

l 第二部分：如果第一步进行的操作没有完成所有的传输，则记录已经处理完成几个iovec结构体，以及对于余下的第一个待处理的iovec结构体已经传输了多少字节。

l 第三部分：分配一个io_struct结构体，用于记录待处理的IO请求。

l 第四部分：分配一个struct page结构体指针数组，保存输入参数iovec数组每一项的iov_base字段所对应的物理地址。这一步很重要。iovec结构体的iov_base字段给出的是用户进程地址，aio_read/aio_write接口在用户进程上下文中执行，可以通过copy_to_user/copy_from_user与这个地址所指的存储空间交换数据。但是不能保存这个地址供后续使用，因为后续真正执行IO操作的上下文很可能不是发起IO操作的用户进程上下文。例如：用户进程A请求读取数据，但是当前设备上没有数据可供读取，所以这个读取请求r_req被排队；一段时间后，用户进程B写入了一些数据，驱动程序发现有数据可供读取了，执行被排队的读取请求r_req。然而，驱动程序不能使用发起请求r_req的用户进程A的上下文来执行读取操作了，因为进程A并没有等待请求r_req执行完成。这样，驱动程序只能在进程B或者其他进程上下文中执行r_req请求的操作，从而不能访问进程A的进程地址空间中的地址，也就是r_req对应的iovec结构体中的iov_base字段所指的地址。解决这个问题的方法是，将请求r_req所提供的缓冲区地址（iovec结构体的iov_base字段）转换成物理地址保存起来供后续使用，因为物理地址跟进程上下文无关。第四部分的代码就是做这个工作的。

l 第五部分：将不能立即执行的异步IO请求放入到待处理IO请求链表中。

l 第六部分：如果读/写操作传输了一些字节，则可以进行写/读操作了，执行排队待处理的IO请求。不过，在这里执行队列中待处理的IO请求是不太合适的：队列中待处理的IO请求可能不是由当前进程发起的，浪费当前进程的处理器时间，执行其他进程的IO请求，这对进程是不公平的。正确的做法应该是：驱动程序创建一个线程（进程？），在自己的线程中执行异步IO请求；或者使用其他内核线程。笔者刚开始学习Linux设备驱动编程，对此不熟悉，所以这部分代码有待以后改进。