如何在 Linux GPIO 中使用 boost::asio

Question

我有一个使用 boost::asio 进行异步输入/输出的单线程 Linux 应用程序。现在我需要扩展这个应用程序以读取/sys/class/gpio/gpioXX/value 上的 GPIO 输入。

可以在边沿触发的 GPIO 输入上使用 boost::asio::posix::stream_descriptor 吗？

我将 GPIO 输入配置如下：

echo XX >/sys/class/gpio/export
echo in >/sys/class/gpio/gpioXX/direction
echo both >/sys/class/gpio/gpioXX/edge

我设法编写了一个基于 epoll 的测试应用程序，该应用程序会阻塞 GPIO 文件描述符，直到 GPIO 信号发生变化，但 boost::asio 似乎无法正确阻塞。对 boost::asio::async_read 的调用总是立即使用 EOF 调用处理程序（当然只在 io_service.run() 内），或者 - 如果文件指针被设置回 - 2 字节数据。

我不是boost::asio 内部的专家，但原因可能是boost::asio epoll 反应器是水平触发的，而不是posix::stream_descriptor 的边缘触发？

这是我的代码：

#include <fcntl.h>

#include <algorithm>
#include <iterator>
#include <stdexcept>

#include <boost/asio.hpp>

boost::asio::io_service io_service;
boost::asio::posix::stream_descriptor sd(io_service);
boost::asio::streambuf streambuf;

void read_handler(const boost::system::error_code& error, std::size_t bytes_transferred)
{
    if (error.value() == boost::asio::error::eof) {
        // If we don't reset the file pointer we only get EOFs
        lseek(sd.native_handle(), 0, SEEK_SET);
    } else if (error)
        throw std::runtime_error(std::string("Error ") + std::to_string(error.value()) + " occurred (" + error.message() + ")");

    std::copy_n(std::istreambuf_iterator<char>(&streambuf), bytes_transferred, std::ostreambuf_iterator<char>(std::cout));
    streambuf.consume(bytes_transferred);
    boost::asio::async_read(sd, streambuf, &read_handler);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
        return 1;

    int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 1)
        return 1;

    try {
        sd.assign(fd);
        boost::asio::async_read(sd, streambuf, &read_handler);
        io_service.run();
    } catch (...) {
        close(fd);
        return 1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

Answer 1

据我所知，Boost.Asio 无法实现这种特殊行为。虽然内核将 procfs 和 sysfs 上的某些文件标记为可轮询，但它们不提供 boost::asio::posix::stream_descriptor 及其操作所期望的类似流的行为。

Boost.Asio 的 epoll 反应器是边缘触发的（参见 Boost.Asio 1.43 revision history notes）。在某些条件下¹，Boost.Asio 会在初始化函数的上下文中尝试 I/O 操作（例如async_read()）。如果 I/O 操作完成（成功或失败），则完成处理程序被io_service.post() 发送到io_service 中。否则，文件描述符将被添加到事件解复用器中进行监控。文档暗示了这种行为：

无论异步操作是否立即完成，都不会在此函数中调用处理程序。处理程序的调用将以等同于使用boost::asio::io_service::post() 的方式执行。

对于组合操作，例如async_read()、EOF is treated as an error，因为它表示违反了操作的合同（即永远不会满足完成条件，因为没有更多数据可用）。在这种特殊情况下，I/O 系统调用将发生在 async_read() 初始化函数中，从文件开头（偏移量 0）读取到文件结尾，导致操作失败并返回 boost::asio::error::eof。操作完成后，永远不会将其添加到事件解复用器中以进行边沿触发监控：

boost::asio::io_service io_service;
boost::asio::posix::stream_descriptor stream_descriptor(io_service);

void read_handler(const boost::system::error_code& error, ...)
{
  if (error.value() == boost::asio::error::eof)
  {
    // Reset to start of file.
    lseek(sd.native_handle(), 0, SEEK_SET);
  }

  // Same as below.  ::readv() will occur within this context, reading
  // from the start of file to end-of-file, causing the operation to
  // complete with failure.
  boost::asio::async_read(stream_descriptor, ..., &read_handler);
}

int main()
{
  int fd = open( /* sysfs file */, O_RDONLY);

  // This would throw an exception for normal files, as they are not
  // poll-able.  However, the kernel flags some files on procfs and
  // sysfs as pollable.
  stream_descriptor.assign(fd);

  // The underlying ::readv() system call will occur within the
  // following function (not deferred until edge-triggered notification
  // by the reactor).  The operation will read from start of file to
  // end-of-file, causing the operation to complete with failure.
  boost::asio::async_read(stream_descriptor, ..., &read_handler);

  // Run will invoke the ready-to-run completion handler from the above
  // operation.
  io_service.run();
}

---

1。在内部，Boost.Asio 将此行为称为推测操作。这是一个实现细节，但如果操作可能不需要事件通知（例如，它可以立即尝试非阻塞 I/O 调用），并且没有挂起的 I/O 操作，则将在启动函数中尝试 I/O 操作I/O 对象上的相同类型的操作或未决的带外操作。没有自定义挂钩可以防止这种行为。