Linux中的神器：eventfd的原理与应用

Linux是一个强大的操作系统，它提供了许多高效的进程间通信机制，如管道、信号、消息队列、共享内存等。但是，有没有一种更简单、更灵活、更高效的通信方式呢？答案是有的，那就是eventfd。eventfd是Linux 2.6版本引入的一种系统调用，它可以用来实现事件通知，也就是通过一个文件描述符来传递事件。eventfd包含一个由内核维护的64位无符号整型计数器，进程可以通过对这个文件描述符进行read/write来读取/改变计数器的值，从而实现进程间通信。eventfd有什么优点呢？它有以下几个特点：

• eventfd不需要创建任何额外的文件或者内存空间，只需要一个文件描述符即可；
• eventfd可以与select、poll、epoll等多路复用机制结合使用，实现高效的事件驱动编程；
• eventfd可以设置为非阻塞或者信号量模式，提供了不同的通信语义；
• eventfd可以跨越进程或者线程边界，实现不同级别的通信。

那么，eventfd是如何工作的呢？它又有哪些应用场景呢？本文将从原理和应用两个方面来介绍eventfd这个神器。

一般来说：Linux进程间通信有五大方案：管道，消息队列，信号量，共享内存，套接字。
管道我不是很熟，只了解一般管道局限与父子进程之间，首先就被我排除了，因为我要做的是相互独立的进程间通信，命名管道似乎不局限于父子进程，但在内核态怎么使用不清楚。
消息队列完全不了解。
信号量的核心是一个内核变量的原子操作，但接口只体现在用户态，而且信号量的P V操作更多做的好像是互斥，而不是我想要的通知唤醒机制。
共享内存就更麻烦了，接口只在用户态，如果自己想做内核态与用户态之间的共享内存，得自己写file，然后提供mmap接口。
套接字之前只是用过af_inet的tcp/udp与af_unix的dgram，还是上面的那个问题，内核没有明确的接口提供，虽然可以自己去用比如sock->ops->recvmsg这样的函数去调用，但毕竟需要自己构造入参，感觉还是不太安全。

那么剩下的似乎只有netlink了，这个socket明确地提供了内核的发包函数，因为它明确地export出了netlink_kernel_create函数，所以内核态的函数得以用这个sock来进行发包。但是一个是用户态需要注册收包函数，另一个内核态发包还是免不了要组装skb，对于我单纯地只想进行通知唤醒来说还是过于复杂了。

于是我再次寻找，发现了eventfd这个神器，在KVM与Qemu的通信之间，eventfd被大牛使用的出神入化，仔细地分析了一下源码，发现这个东西就如名字所说，纯是为了通知而存在的。
作为一个file（linux里有不是file的东西么～～），它的private_data结构体 eventfd_ctx只有可怜的四个变量。

struct eventfd_ctx {
  struct kref kref;  /* 这个就不多说了，file计数用的，用于get/put */
  wait_queue_head_t wqh; /* 这个用来存放用户态的进程wait项，有了它通知机制才成为可能 */
/*
\* Every time that a write(2) is performed on an eventfd, the
\* value of the __u64 being written is added to "count" and a
\* wakeup is performed on "wqh". A read(2) will return the "count"
\* value to userspace, and will reset "count" to zero. The kernel
\* side eventfd_signal() also, adds to the "count" counter and
\* issue a wakeup.
*/
  __u64 count;  /* 这个就是一个技术器，应用程序可以自己看着办，read就是取出然后清空，write就是把value加上 */
  unsigned int flags;  /* 所有的file都有的吧，用来存放阻塞/非阻塞标识或是O_CLOEXEC之类的东西 */
};
  我之所以选用它是因为它有 eventfd_signal 这个特地为内核态提供的接口，下面的是注释。
 \* This function is supposed to be called by the kernel in paths that do not
 \* allow sleeping. In this function we allow the counter to reach the ULLONG_MAX
 \* value, and we signal this as overflow condition by returining a POLLERR to poll(2).

其实看代码会更清晰一些

int eventfd_signal(struct eventfd_ctx *ctx, int n)
{
  unsigned long flags;

  if (n return -EINVAL;
  spin_lock_irqsave(&ctx->wqh.lock, flags);
  if (ULLONG_MAX - ctx->count count);
  ctx->count += n;
  if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
    wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLIN);
  spin_unlock_irqrestore(&ctx->wqh.lock, flags);

  return n;
}  

本质就是做一次唤醒，不用read，也不用write，与eventfd_write的区别是不用阻塞

下面说一下我的具体用法：
内核态是一个模块，注册一个misc设备，创建内核线程工作(参数为模块的file->private_data)。提供ioctl接口供用户态进程下发自己eventfd创建的fd，保存在内核线程可以访问到的file->private_data中。
当内核态想通知用户态时，直接使用eventfd_signal，此时用户态线程需要先把自己放在eventfd_ctx->wqh上，有两种方案，一个是调用read，一个是调用poll。 如果是read，之后会将eventfd_ctx->count清零，下次还能阻塞住。但是如果使用poll，之后count并未清零，导致再次poll时，即使内核态没有eventfd_signal，poll也会即时返回。
用户态通知内核态稍微麻烦一点，，首先需要再创建一个eventfd，然后下发给file->private_data（这里的操作同上面），额外需要在模块里做一个iotcl，专门负责用户态来通知内核态，函数里就做eventfd_signal，内核态线程需要先放在eventfd_ctx->wqh上，可以利用vfs_read，或者自己在内核态做一次poll（似乎又麻烦了）。

本文介绍了eventfd这个Linux中的神器，它是一种简单、灵活、高效的进程间通信机制。我们从原理方面分析了eventfd的创建、读写和标志位等内容，并且给出了相应的代码示例。我们还从应用方面介绍了eventfd在用户态与内核态通信、定时器和事件触发器等场景中的使用方法，并且给出了相应的代码示例。通过本文的学习，我们可以掌握eventfd的基本用法，并且能够在实际开发中灵活地运用eventfd来实现不同的通信需求。希望本文对你有所帮助！

以上是Linux中的神器：eventfd的原理与应用的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！