Linux驱动实践：驱动程序如何发送【信号】给应用程序？

作者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。

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别人的经验，我们的阶梯！

大家好，我是道哥，今天我为大伙儿解说的技术知识点是：【驱动层中，如何发送信号给应用程序】。

在上一篇文章中，我们讨论的是：在应用层如何发送指令来控制驱动层的

GPIO

Linux驱动实践：如何编写【 GPIO 】设备的驱动程序？。控制的方向是从应用层到驱动层：

那么，如果想让程序的执行路径从下往上，也就是从驱动层传递到应用层，应该如何实现呢？

最容易、最简单的方式，就是通过发送信号！

这篇文章继续以完整的代码实例来演示如何实现这个功能。

kill 命令和信号

使用 kill 命令发送信号

关于

Linux

操作系统的信号，每位程序员都知道这个指令：使用 kill 工具来“杀死”一个进程：

$ kill -9 <进程的 PID>

这个指令的功能是：向指定的某个进程发送一个信号 9，这个信号的默认功能是：是停止进程。

虽然在应用程序中没有主动处理这个信号，但是操作系统默认的处理动作是终止应用程序的执行。

除了发送信号

，

kill

命令还可以发送其他的任意信号。

在

Linux

系统中，所有的信号都使用一个整型数值来表示，可以打开文件

/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/signum.h

(你的系统中可能位于其他的目录) 查看一下，比较常见的几个信号是：

/* 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 beused directly at user level.  */#define __SIGRTMIN	32#define __SIGRTMAX	(_NSIG - 1)

信号

对应着

SIGKILL

，而信号

（

SIGSEGV

）就是最令人讨厌的Segmentfault！

这里还有一个地方需要注意一下：实时信号和非实时信号，它俩的主要区别是：

非实时信号：操作系统不确保应用程序一定能接收到(即：信号可能会丢失);
实时信号：操作系统确保应用程序一定能接收到;

如果我们的程序设计，通过信号机制来完成一些功能，那么为了确保信号不会丢失，肯定是使用实时信号的。

从文件

signum.h

中可以看到，实时信号从

__SIGRTMIN

（数值：

）开始。

多线程中的信号

我们在编写应用程序时，虽然没有接收并处理

SIGKILL

这个信号，但是一旦别人发送了这个信号，我们的程序就被操作系统停止掉了，这是默认的动作。

那么，在应用程序中，应该可以主动声明接收并处理指定的信号，下面就来写一个最简单的实例。

在一个应用程序中，可能存在多个线程;

当有一个信号发送给此进程时，所有的线程都可能接收到，但是只能有一个线程来处理;

在这个示例中，只有一个主线程来接收并处理信号;

信号注册和处理函数

按照惯例，所有应用程序文件都创建在

~/tmp/App

目录中。

// 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>// 信号处理函数static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context){// 打印接收到的信号值printf("signal_handler: signum = %d \\n", signum);}int main(void){int count = 0;// 注册信号处理函数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);// 一直循环打印信息，等待接收发信号while (1){printf("app_handle_signal is running...count = %d \\n", ++count);sleep(5);}return 0;}

这个示例程序接收的信号是

SIGUSR1

和

SIGUSR2

，也就是数值

和

。

编译、执行：

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

此时，应用程序开始执行，等待接收信号。

在另一个终端中，使用

kill

指令来发送信号

SIGUSR1

或者

SIGUSR2

。

kill 发送信号，需要知道应用程序的 PID，可以通过指令: ps -au | grep app_handle_signal 来查看。

其中的

就是进程的

PID

。

执行发送信号

SIGUSR1

指令：

$ kill -10 15428

此时，在应用程序的终端窗口中，就能看到下面的打印信息：

说明应用程序接收到了 SIGUSR1 这个信号！

注意：我们是使用

kill

命令来发送信号的，

kill

也是一个独立的进程，程序的执行路径如下：

在这个执行路径中，我们可控的部分是应用层，至于操作系统是如何接收

kill

的操作，然后如何发送信号给

app_handle_signal

进程的，我们不得而知。

下面就继续通过示例代码来看一下如何在驱动层主动发送信号。

驱动程序代码示例：发送信号

功能需求

在刚才的简单示例中，可以得出下面这些信息：

信号发送方：必须知道向谁[PID]发送信号，发送哪个信号;
信号接收方：必须定义信号处理函数，并且向操作系统注册：接收哪些信号;

发送方当然就是驱动程序了，在示例代码中，继续使用 SIGUSR1 信号来测试。

那么，驱动程序如何才能知道应用程序的

PID

呢？可以让应用程序通过

oictl

函数，把自己的

PID

主动告诉驱动程序：

驱动程序

这里的示例代码，是在上一篇文章的基础上修改的，改动部分的内容，使用宏定义

MY_SIGNAL_ENABLE

控制起来，方便查看和比较。

以下所有操作的工作目录，都是与上一篇文章相同的，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

文件的内容如下(不需要手敲，文末有代码下载链接)：

#include <linux module.h="">#include <linux kernel.h="">#include <linux ctype.h="">#include <linux device.h="">#include <linux cdev.h="">// 新增的头文件#include <asm siginfo.h="">#include <linux pid.h="">#include <linux uaccess.h="">#include <linux sched="" signal.h="">#include <linux pid_namespace.h="">// GPIO 硬件相关宏定义#define MYGPIO_HW_ENABLE// 新增部分，使用这个宏控制起来#define MY_SIGNAL_ENABLE// 设备名称#define MYGPIO_NAME			"mygpio"// 一共有４个GPIO#define MYGPIO_NUMBER		4// 设备类static struct class *gpio_class;// 用来保存设备struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER];// 用来保存设备号int gpio_major = 0;int gpio_minor = 0;#ifdef MY_SIGNAL_ENABLE// 用来保存向谁发送信号，应用程序通过 ioctl 把自己的进程 ID 设置进来。static int g_pid = 0;#endif#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE// 硬件初始化函数，在驱动程序被加载的时候(gpio_driver_init)被调用static void gpio_hw_init(int gpio){printk("gpio_hw_init is called: %d. \\n", gpio);}// 硬件释放static void gpio_hw_release(int gpio){printk("gpio_hw_release is called: %d. \\n", gpio);}// 设置硬件GPIO的状态，在控制GPIO的时候(gpio_ioctl)被调研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// 用来发送信号给应用程序static void send_signal(int sig_no){int ret;struct siginfo info;struct task_struct *my_task = NULL;if (0 == g_pid){// 说明应用程序没有设置自己的 PIDprintk("pid[%d] is not valid! \\n", g_pid);return;}printk("send signal %d to pid %d \\n", sig_no, g_pid);// 构造信号结构体memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo));info.si_signo = sig_no;info.si_errno = 100;info.si_code = 200;// 获取自己的任务信息，使用的是 RCU 锁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;}// 发送信号ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task);if (ret < 0){printk("send signal failed! \\n");}}#endif// 当应用程序打开设备的时候被调用static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file){printk("gpio_open is called. \\n");return 0;}#ifdef MY_SIGNAL_ENABLEstatic 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){// 说明应用程序设置进程的 PIDpArg = (void *)arg;if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int))){printk("access failed! \\n");return -EACCES;}// 把用户空间的数据复制到内核空间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){// 发送信号send_signal(SIGUSR1);send_signal(SIGUSR2);}}return 0;}#else// 当应用程序控制GPIO的时候被调用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_ENABLEgpio_hw_set(gpio_no, val);#endifreturn 0;}#endifstatic 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");// 动态申请设备号(严谨点的话，应该检查函数返回值)alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME);// 获取主设备号gpio_major = MAJOR(num_dev);printk("gpio_major = %d. \\n", gpio_major);// 创建设备类gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME);// 创建设备节点for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i){// 设备号devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i);// 初始化cdev结构cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops);// 注册字符设备cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1);// 创建设备节点device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i);}#ifdef MYGPIO_HW_ENABLEfor (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i){// 初始硬件GPIOgpio_hw_init(i);}#endifreturn 0;}static void __exit gpio_driver_exit(void){int i;printk("gpio_driver_exit is called. \\n");// 删除设备节点for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i){cdev_del(&gpio_cdev[i]);device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i));}// 释放设备类class_destroy(gpio_class);#ifdef MYGPIO_HW_ENABLEfor (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i){gpio_hw_release(i);}#endif// 注销设备号unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER);}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(gpio_driver_init);module_exit(gpio_driver_exit);

这里大部分的代码，在上一篇文章中已经描述的比较清楚了，这里把重点关注放在这两个函数上：

gpio_ioctl

和

send_signal

。

（1）函数

gpio_ioctl

当应用程序调用

ioctl()

的时候，驱动程序中的

gpio_ioctl

就会被调用。

这里定义一个简单的协议：当应用程序调用参数中 cmd 为 100 的时候，就表示用来告诉驱动程序自己的 PID。

驱动程序定义了一个全局变量

g_pid

，用来保存应用程序传入的参数

PID

。

需要调用函数 copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))，把用户空间的参数复制到内核空间中;

成功取得

PID

之后，就调用函数

send_signal

向应用程序发送信号。

这里仅仅是用于演示目的，在实际的项目中，可能会根据接收到硬件触发之后再发送信号。

（2）函数

send_signal

这个函数主要做了

件事情：

构造一个信号结构体变量：struct siginfo info;
通过应用程序传入的 PID，获取任务信息：pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);
发送信号：send_sig_info(sig_no, &info, my_task);

驱动模块 Makefile

$ touch Makefile

内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m := my_driver_signal.oelseKERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) cleanendif

编译驱动模块

$ make

得到驱动程序： my_driver_signal.ko 。

加载驱动模块

$ sudo insmod my_driver_signal.ko

通过

dmesg

指令来查看驱动模块的打印信息：

因为示例代码是在上一篇

GPIO

的基础上修改的，因此创建的设备节点文件，与上篇文章是一样的：

应用程序代码示例：接收信号

注册信号处理函数

应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

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

文件内容如下：

#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		4char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = {"/dev/mygpio0","/dev/mygpio1","/dev/mygpio2","/dev/mygpio3"};// 信号处理函数static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context){// 打印接收到的信号值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();// 打开GPIOif((fd = open("/dev/mygpio0", O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){printf("open dev failed! \\n");return -1;}printf("open dev success! \\n");// 注册信号处理函数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 PIDprintf("call ioctl. pid = %d \\n", pid);ioctl(fd, 100, &pid);// 休眠1秒，等待接收信号sleep(1);// 关闭设备close(fd);}

可以看到，应用程序主要做了两件事情：

（1）首先通过函数

sigaction()

向操作系统注册了信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2，它俩的信号处理函数是同一个：

signal_handler()

。

除了 sigaction 函数，应用程序还可以使用 signal 函数来注册信号处理函数;

（2）然后通过

ioctl(fd, 100, &pid);

向驱动程序设置自己的 PID。

编译应用程序：

$ gcc mysignal.c -o mysignal

执行应用程序：

$ sudo ./mysignal

根据刚才驱动程序的代码，当驱动程序接收到设置

PID

的命令之后，会立刻发送两个信号：

先来看一下 dmesg 中驱动程序的打印信息：

可以看到：驱动把这两个信号(

10 和 12

)，发送给了应用程序(

PID=6259

)。

应用程序的输出信息如下：

可以看到：应用程序接收到信号 10 和 12，并且正确打印出信号中携带的一些信息!

—— End ——

文中的测试代码，已经放在网盘了。

在公众号【IOT物联网小镇】后台回复关键字：1205，即可获取下载地址。

谢谢！