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別人的經驗，我們的階梯!

大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說的技術知識點是：【驅動層中，如何發送信號給應用程序】。

在上一篇文章中，我們討論的是：在應用層如何發送指令來控制驅動層的 GPIOLinux驅動實踐：如何編寫【 GPIO 】設備的驅動程序?。控制的方向是從應用層到驅動層：

那么，如果想讓程序的執行路徑從下往上，也就是從驅動層傳遞到應用層，應該如何實現呢?

 

最容易、最簡單的方式，就是通過發送信號!

這篇文章繼續以完整的代碼實例來演示如何實現這個功能。

kill 命令和信號

使用 kill 命令發送信號

關于 Linux 操作系統的信號，每位程序員都知道這個指令：使用 kill 工具來“殺死”一個進程：

$ kill -9 <進程的 PID> 

這個指令的功能是：向指定的某個進程發送一個信號 9，這個信號的默認功能是：是停止進程。

雖然在應用程序中沒有主動處理這個信號，但是操作系統默認的處理動作是終止應用程序的執行。

除了發送信號 9，kill 命令還可以發送其他的任意信號。

在 Linux 系統中，所有的信號都使用一個整型數值來表示，可以打開文件 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/signum.h(你的系統中可能位于其它的目錄) 查看一下，比較常見的幾個信號是：

/* Signals.  */ 
#define SIGINT      2   /* Interrupt (ANSI).  */ 
#define SIGKILL     9   /* Kill, unblockable (POSIX).  */ 
#define SIGUSR1     10  /* User-defined signal 1 (POSIX).  */ 
#define SIGSEGV     11  /* Segmentation violation (ANSI).  */ 
#define SIGUSR2     12  /* User-defined signal 2 (POSIX).  */ 
... 
... 
#define SIGSYS      31  /* Bad system call.  */ 
#define SIGUNUSED   31 
 
#define _NSIG       65  /* Biggest signal number + 1 
                   (including real-time signals).  */ 
 
/* These are the hard limits of the kernel.  These values should not be 
   used directly at user level.  */ 
#define __SIGRTMIN  32 
#define __SIGRTMAX  (_NSIG - 1) 

信號 9 對應著 SIGKILL，而信號11(SIGSEGV)就是最令人討厭的Segmentfault!

這里還有一個地方需要注意一下：實時信號和非實時信號，它倆的主要區別是：

1. 非實時信號：操作系統不確保應用程序一定能接收到(即：信號可能會丟失);
2. 實時信號：操作系統確保應用程序一定能接收到;

如果我們的程序設計，通過信號機制來完成一些功能，那么為了確保信號不會丟失，肯定是使用實時信號的。

從文件 signum.h 中可以看到，實時信號從 __SIGRTMIN(數值：32) 開始。

多線程中的信號

我們在編寫應用程序時，雖然沒有接收并處理 SIGKILL 這個信號，但是一旦別人發送了這個信號，我們的程序就被操作系統停止掉了，這是默認的動作。

那么，在應用程序中，應該可以主動聲明接收并處理指定的信號，下面就來寫一個最簡單的實例。

在一個應用程序中，可能存在多個線程;

當有一個信號發送給此進程時，所有的線程都可能接收到，但是只能有一個線程來處理;

在這個示例中，只有一個主線程來接收并處理信號;

信號注冊和處理函數

按照慣例，所有應用程序文件都創建在 ~/tmp/App 目錄中。

// 文件：tmp/App/app_handle_signal/app_handle_signal.c 
 
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
#include <signal.h> 
 
// 信號處理函數 
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) 
{ 
    // 打印接收到的信號值 
    printf("signal_handler: signum = %d \n", signum); 
} 
 
int main(void) 
{ 
    int count = 0; 
    // 注冊信號處理函數 
    struct sigaction sa; 
    sigemptyset(&sa.sa_mask); 
    sa.sa_sigaction = &signal_handler; 
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO; 
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL); 
    sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL); 
 
    // 一直循環打印信息，等待接收發信號 
    while (1) 
    { 
        printf("app_handle_signal is running...count = %d \n", ++count); 
        sleep(5); 
    } 
 
    return 0; 
} 

這個示例程序接收的信號是 SIGUSR1 和 SIGUSR2，也就是數值 10 和 12。

編譯、執行：

$ gcc app_handle_signal.c -o app_handle_signal 
$ ./app_handle_signal 

此時，應用程序開始執行，等待接收信號。

在另一個終端中，使用kill指令來發送信號SIGUSR1或者 SIGUSR2。

kill 發送信號，需要知道應用程序的 PID，可以通過指令: ps -au | grep app_handle_signal 來查看。

其中的15428就是進程的 PID。

執行發送信號SIGUSR1指令：

$ kill -10 15428 

此時，在應用程序的終端窗口中，就能看到下面的打印信息：

說明應用程序接收到了 SIGUSR1 這個信號!

注意：我們是使用kill命令來發送信號的，kill 也是一個獨立的進程，程序的執行路徑如下： 

在這個執行路徑中，我們可控的部分是應用層，至于操作系統是如何接收kill的操作，然后如何發送信號給 app_handle_signal 進程的，我們不得而知。

下面就繼續通過示例代碼來看一下如何在驅動層主動發送信號。

驅動程序代碼示例：發送信號

功能需求

在剛才的簡單示例中，可以得出下面這些信息：

1. 信號發送方：必須知道向誰[PID]發送信號，發送哪個信號;
2. 信號接收方：必須定義信號處理函數，并且向操作系統注冊：接收哪些信號;

發送方當然就是驅動程序了，在示例代碼中，繼續使用 SIGUSR1 信號來測試。

那么，驅動程序如何才能知道應用程序的PID呢?可以讓應用程序通過oictl函數，把自己的PID主動告訴驅動程序：

驅動程序

這里的示例代碼，是在上一篇文章的基礎上修改的，改動部分的內容，使用宏定義 MY_SIGNAL_ENABLE 控制起來，方便查看和比較。

以下所有操作的工作目錄，都是與上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。

$ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers/ 
$ mkdir my_driver_signal 
$ cd my_driver_signal 
$ touch my_driver_signal.c 

my_driver_signal.c 文件的內容如下(不需要手敲，文末有代碼下載鏈接)：

#include <linux/module.h> 
#include <linux/kernel.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/device.h> 
#include <linux/cdev.h> 
 
// 新增的頭文件 
#include <asm/siginfo.h> 
#include <linux/pid.h> 
#include <linux/uaccess.h> 
#include <linux/sched/signal.h> 
#include <linux/pid_namespace.h> 
 
// GPIO 硬件相關宏定義 
#define MYGPIO_HW_ENABLE 
 
// 新增部分，使用這個宏控制起來 
#define MY_SIGNAL_ENABLE 
 
// 設備名稱 
#define MYGPIO_NAME         "mygpio" 
 
// 一共有４個GPIO 
#define MYGPIO_NUMBER       4 
 
// 設備類 
static struct class *gpio_class; 
 
// 用來保存設備 
struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER]; 
 
// 用來保存設備號 
int gpio_major = 0; 
int gpio_minor = 0; 
 
#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE 
// 用來保存向誰發送信號，應用程序通過 ioctl 把自己的進程 ID 設置進來。 
static int g_pid = 0; 
#endif 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
// 硬件初始化函數，在驅動程序被加載的時候(gpio_driver_init)被調用 
static void gpio_hw_init(int gpio) 
{ 
    printk("gpio_hw_init is called: %d. \n", gpio); 
} 
 
// 硬件釋放 
static void gpio_hw_release(int gpio) 
{ 
    printk("gpio_hw_release is called: %d. \n", gpio); 
} 
 
// 設置硬件GPIO的狀態，在控制GPIO的時候(gpio_ioctl)被調研 
static void gpio_hw_set(unsigned long gpio_no, unsigned int val) 
{ 
    printk("gpio_hw_set is called. gpio_no = %ld, val = %d. \n", gpio_no, val); 
} 
#endif 
 
#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE 
// 用來發送信號給應用程序 
static void send_signal(int sig_no) 
{ 
    int ret; 
    struct siginfo info; 
    struct task_struct *my_task = NULL; 
    if (0 == g_pid) 
    { 
        // 說明應用程序沒有設置自己的 PID 
        printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid); 
        return; 
    } 
 
    printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid); 
 
    // 構造信號結構體 
    memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo)); 
    info.si_signo = sig_no; 
    info.si_errno = 100; 
    info.si_code = 200; 
 
    // 獲取自己的任務信息，使用的是 RCU 鎖 
    rcu_read_lock(); 
    my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID); 
    rcu_read_unlock(); 
 
    if (my_task == NULL) 
    { 
        printk("get pid_task failed! \n"); 
        return; 
    } 
 
    // 發送信號 
    ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task); 
    if (ret < 0)  
    { 
           printk("send signal failed! \n"); 
    } 
} 
#endif 
 
// 當應用程序打開設備的時候被調用 
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file) 
{ 
     
    printk("gpio_open is called. \n"); 
    return 0;    
} 
 
#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE 
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{ 
    void __user *pArg; 
    printk("gpio_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd); 
    if (100 == cmd) 
    { 
        // 說明應用程序設置進程的 PID  
        pArg = (void *)arg; 
        if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int))) 
        { 
            printk("access failed! \n"); 
            return -EACCES; 
        } 
 
        // 把用戶空間的數據復制到內核空間 
        if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))) 
        { 
            printk("copy_from_user failed! \n"); 
            return -EFAULT; 
        } 
 
        printk("save g_pid success: %d \n", g_pid);  
        if (g_pid > 0) 
        { 
            // 發送信號 
            send_signal(SIGUSR1); 
            send_signal(SIGUSR2); 
        } 
    } 
 
    return 0; 
} 
#else 
// 當應用程序控制GPIO的時候被調用 
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int val, unsigned long gpio_no) 
{ 
    printk("gpio_ioctl is called. \n"); 
     
    if (0 != val && 1 != val) 
    { 
        printk("val is NOT valid! \n"); 
        return 0; 
    } 
 
    if (gpio_no >= MYGPIO_NUMBER) 
    { 
        printk("dev_no is invalid! \n"); 
        return 0; 
    } 
 
    printk("set GPIO: %ld to %d. \n", gpio_no, val); 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    gpio_hw_set(gpio_no, val); 
#endif 
 
    return 0; 
} 
#endif 
 
static const struct file_operations gpio_ops={ 
    .owner = THIS_MODULE, 
    .open  = gpio_open, 
    .unlocked_ioctl = gpio_ioctl 
}; 
 
static int __init gpio_driver_init(void) 
{ 
    int i, devno; 
    dev_t num_dev; 
 
    printk("gpio_driver_init is called. \n"); 
 
    // 動態申請設備號(嚴謹點的話，應該檢查函數返回值) 
    alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME); 
 
    // 獲取主設備號 
    gpio_major = MAJOR(num_dev); 
    printk("gpio_major = %d. \n", gpio_major); 
 
    // 創建設備類 
    gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME); 
 
    // 創建設備節點 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        // 設備號 
        devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i); 
         
        // 初始化cdev結構 
        cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops); 
 
        // 注冊字符設備 
        cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1); 
 
        // 創建設備節點 
        device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i); 
    } 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        // 初始硬件GPIO 
        gpio_hw_init(i); 
    } 
#endif 
 
    return 0; 
} 
 
static void __exit gpio_driver_exit(void) 
{ 
    int i; 
    printk("gpio_driver_exit is called. \n"); 
 
    // 刪除設備節點 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        cdev_del(&gpio_cdev[i]); 
        device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i)); 
    } 
 
    // 釋放設備類 
    class_destroy(gpio_class); 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        gpio_hw_release(i); 
    } 
#endif 
 
    // 注銷設備號 
    unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER); 
} 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
module_init(gpio_driver_init); 
module_exit(gpio_driver_exit); 

這里大部分的代碼，在上一篇文章中已經描述的比較清楚了，這里把重點關注放在這兩個函數上：gpio_ioctl 和 send_signal。

(1)函數 gpio_ioctl

當應用程序調用 ioctl() 的時候，驅動程序中的 gpio_ioctl 就會被調用。

這里定義一個簡單的協議：當應用程序調用參數中 cmd 為 100 的時候，就表示用來告訴驅動程序自己的 PID。

驅動程序定義了一個全局變量 g_pid，用來保存應用程序傳入的參數PID。

需要調用函數 copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))，把用戶空間的參數復制到內核空間中;

成功取得PID之后，就調用函數 send_signal 向應用程序發送信號。

這里僅僅是用于演示目的，在實際的項目中，可能會根據接收到硬件觸發之后再發送信號。

(2)函數 send_signal

這個函數主要做了3件事情：

構造一個信號結構體變量：struct siginfo info;

通過應用程序傳入的 PID，獲取任務信息：pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);

發送信號：send_sig_info(sig_no, &info, my_task);

驅動模塊 Makefile

$ touch Makefile 

內容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),) 
    obj-m := my_driver_signal.o 
else 
    KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
    PWD := $(shell pwd) 
default: 
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
clean: 
    $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean 
endif 

編譯驅動模塊

$ make 

得到驅動程序： my_driver_signal.ko 。

加載驅動模塊

$ sudo insmod my_driver_signal.ko 

通過 dmesg 指令來查看驅動模塊的打印信息：

因為示例代碼是在上一篇GPIO的基礎上修改的，因此創建的設備節點文件，與上篇文章是一樣的： 

應用程序代碼示例：接收信號

注冊信號處理函數

應用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目錄下。

$ mkdir ~/tmp/App/app_mysignal 
$ cd ~/tmp/App/app_mysignal 
$ touch mysignal.c 

文件內容如下：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <assert.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
#include <signal.h> 
 
#define MY_GPIO_NUMBER      4 
 
char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = { 
    "/dev/mygpio0", 
    "/dev/mygpio1", 
    "/dev/mygpio2", 
    "/dev/mygpio3" 
}; 
 
// 信號處理函數 
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) 
{ 
    // 打印接收到的信號值 
    printf("signal_handler: signum = %d \n", signum); 
    printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n", 
             info->si_signo, 
             info->si_code,  
             info->si_errno); 
} 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int fd, count = 0; 
    int pid = getpid(); 
 
    // 打開GPIO 
    if((fd = open("/dev/mygpio0", O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){ 
        printf("open dev failed! \n"); 
        return -1; 
    } 
 
    printf("open dev success! \n"); 
     
    // 注冊信號處理函數 
    struct sigaction sa; 
    sigemptyset(&sa.sa_mask); 
    sa.sa_sigaction = &signal_handler; 
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO; 
     
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL); 
    sigaction(SIGUSR2, &sa, NULL); 
 
    // set PID  
    printf("call ioctl. pid = %d \n", pid); 
    ioctl(fd, 100, &pid); 
 
    // 休眠1秒，等待接收信號 
    sleep(1); 
 
    // 關閉設備 
    close(fd); 
} 

可以看到，應用程序主要做了兩件事情：

(1)首先通過函數 sigaction() 向操作系統注冊了信號 SIGUSR1 和 SIGUSR2，它倆的信號處理函數是同一個：signal_handler()。

除了 sigaction 函數，應用程序還可以使用 signal 函數來注冊信號處理函數;

(2)然后通過 ioctl(fd, 100, &pid); 向驅動程序設置自己的 PID。

編譯應用程序：

$ gcc mysignal.c -o mysignal 

執行應用程序：

$ sudo ./mysignal 

根據剛才驅動程序的代碼，當驅動程序接收到設置PID的命令之后，會立刻發送兩個信號：

先來看一下 dmesg 中驅動程序的打印信息：

可以看到：驅動把這兩個信號(10 和 12)，發送給了應用程序(PID=6259)。

應用程序的輸出信息如下：

可以看到：應用程序接收到信號 10 和 12，并且正確打印出信號中攜帶的一些信息!

本文轉載自微信公眾號「IOT物聯網小鎮」