input子系统事件处理层(evdev)的环形缓冲区

    xiaoxiao2021-04-16  29

    在事件处理层(evdev.c)中结构体evdev_client定义了一个环形缓冲区(circular buffer),其原理是用数组的方式实现了一个先进先出的循环队列(circular queue),用以缓存内核驱动上报给用户层的input_event事件。

    struct evdev_client { unsigned int head; // 头指针 unsigned int tail; // 尾指针 unsigned int packet_head; // 包指针 spinlock_t buffer_lock; struct fasync_struct *fasync; struct evdev *evdev; struct list_head node; unsigned int clk_type; bool revoked; unsigned long *evmasks[EV_CNT]; unsigned int bufsize; // 循环队列大小 struct input_event buffer[]; // 循环队列数组 };

    evdev_client对象维护了三个偏移量:head、tail以及packet_head。head、tail作为循环队列的头尾指针记录入口与出口偏移,那么包指针packet_head有什么作用呢?

    packet_head 内核驱动处理一次输入,可能上报一到多个input_event事件,为表示处理完成,会在上报这些input_event事件后再上报一次同步事件。头指针head以input_event事件为单位,记录缓冲区的入口偏移量,而包指针packet_head则以“数据包”(一到多个input_event事件)为单位,记录缓冲区的入口偏移量。

    环形缓冲区的工作机制

    循环队列入队算法: head++; head &= bufsize - 1; 循环队列出队算法: tail++; tail &= bufsize - 1; 循环队列已满条件: head == tail 循环队列为空条件: packet_head == tail

    “求余”和“求与” 为解决头尾指针的上溢和下溢现象,使队列的元素空间可重复使用,一般循环队列的出入队算法都采用“求余”操作:     head = (head + 1) % bufsize; // 入队     tail = (tail + 1) % bufsize; // 出队 为避免计算代价高昂的“求余”操作,使内核运作更高效,input子系统的环形缓冲区采用了“求与”算法,这要求bufsize必须为2的幂,在后文中可以看到bufsize的值实际上是为64或者8的n倍,符合“求与”运算的要求。

    环形缓冲区的构造以及初始化

    用户层通过open()函数打开input设备节点时,调用过程如下:

    open() -> sys_open() -> evdev_open()

    在evdev_open()函数中完成了对evdev_client对象的构造以及初始化,每一个打开input设备节点的用户都在内核中维护了一个evdev_client对象,这些evdev_client对象通过evdev_attach_client()函数注册在evdev1对象的内核链表上。

    接下来我们具体分析evdev_open()函数:

    static int evdev_open(struct inode *inode, struct file *file) { struct evdev *evdev = container_of(inode->i_cdev, struct evdev, cdev); // 1.计算环形缓冲区大小bufsize以及evdev_client对象大小size unsigned int bufsize = evdev_compute_buffer_size(evdev->handle.dev); unsigned int size = sizeof(struct evdev_client) + bufsize * sizeof(struct input_event); struct evdev_client *client; int error; // 2. 分配内核空间 client = kzalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN); if (!client) client = vzalloc(size); if (!client) return -ENOMEM; client->bufsize = bufsize; spin_lock_init(&client->buffer_lock); client->evdev = evdev; // 3. 注册到内核链表 evdev_attach_client(evdev, client); error = evdev_open_device(evdev); if (error) goto err_free_client; file->private_data = client; nonseekable_open(inode, file); return 0; err_free_client: evdev_detach_client(evdev, client); kvfree(client); return error; }

    在evdev_open()函数中,我们看到了evdev_client对象从构造到注册到内核链表的过程,然而它是在哪里初始化的呢?其实kzalloc()函数在分配空间的同时就通过__GFP_ZERO标志做了初始化:

    static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags) { return kmalloc(size, flags | __GFP_ZERO); }

    生产者/消费者模型

    内核驱动与用户程序就是典型的生产者/消费者模型,内核驱动产生input_event事件,然后通过input_event()函数写入环形缓冲区,用户程序通过read()函数从环形缓冲区中获取input_event事件。

    环形缓冲区的生产者

    内核驱动作为生产者,通过input_event()上报input_event事件时,最终调用___pass_event()函数将事件写入环形缓冲区:

    static void __pass_event(struct evdev_client *client, const struct input_event *event) { // 将input_event事件存入缓冲区,队头head自增指向下一个元素空间 client->buffer[client->head++] = *event; client->head &= client->bufsize - 1; // 当队头head与队尾tail相等时,说明缓冲区空间已满 if (unlikely(client->head == client->tail)) { /* * This effectively "drops" all unconsumed events, leaving * EV_SYN/SYN_DROPPED plus the newest event in the queue. */ client->tail = (client->head - 2) & (client->bufsize - 1); client->buffer[client->tail].time = event->time; client->buffer[client->tail].type = EV_SYN; client->buffer[client->tail].code = SYN_DROPPED; client->buffer[client->tail].value = 0; client->packet_head = client->tail; } // 当遇到EV_SYN/SYN_REPORT同步事件时,packet_head移动到队头head位置 if (event->type == EV_SYN && event->code == SYN_REPORT) { client->packet_head = client->head; kill_fasync(&client->fasync, SIGIO, POLL_IN); } }

    环形缓冲区的消费者

    用户程序作为消费者,通过read()函数读取input设备节点时,最终在内核调用evdev_fetch_next_event()函数从环形缓冲区中读取input_event事件:

    static int evdev_fetch_next_event(struct evdev_client *client, struct input_event *event) { int have_event; spin_lock_irq(&client->buffer_lock); // 判缓冲区中是否有input_event事件 have_event = client->packet_head != client->tail; if (have_event) { // 从缓冲区中读取一次input_event事件,队尾tail自增指向下一个元素空间 *event = client->buffer[client->tail++]; client->tail &= client->bufsize - 1; if (client->use_wake_lock && client->packet_head == client->tail) wake_unlock(&client->wake_lock); } spin_unlock_irq(&client->buffer_lock); return have_event; }
    结构体evdev成员client_list为内核链表表头,通过该表头遍历链表可以访问所有挂在其上的evdev_client对象 ↩
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