并发、缓冲、阻塞、轮询与生命周期

1. 执行上下文

字符驱动同时面对：

• process context的open/read/write/ioctl/mmap；
• IRQ/threaded IRQ；
• workqueue/timer；
• PM callback；
• device remove；
• async notification；
• fork/dup后的共享file。

User copy可fault和睡眠，不能在spinlock/hardirq执行。

2. Per-device与Per-file

Per-device：

• MMIO/IRQ；
• hardware queue；
• global configuration；
• remove状态；
• class/cdev。

Per-file：

• read offset；
• pending response；
• mode/filter；
• event cursor；
• ownership；
• references。

把per-file command response放全局buffer会导致用户间串线。

3. 阻塞Read

标准循环：

lock
while no data and device alive:
  unlock
  if O_NONBLOCK return -EAGAIN
  wait_event_interruptible(condition)
  if signal return -ERESTARTSYS
  lock
if removed return EOF/-ENODEV
copy data
unlock

条件必须在锁下重查，waitqueue只负责通知，不保存事件。

4. Write Backpressure

Buffer满时：

• nonblock返回-EAGAIN；
• blocking等待space；
• device remove返回-ENODEV/EPIPE；
• signal可能返回short write。

Driver不能无限分配内存吸收用户数据。

5. Poll

先poll_wait()注册waitqueue，再读取当前状态。常见返回：

• EPOLLIN|EPOLLRDNORM：有数据；
• EPOLLOUT|EPOLLWRNORM：有空间；
• EPOLLERR：硬件/协议错误；
• EPOLLHUP：对端或设备消失。

Wake时可带poll mask减少无效唤醒。

6. Ring Buffer

IRQ producer与process consumer：

• spinlock保护head/tail；
• release/acquire或barrier保证payload先于index可见；
• 长copy可在锁外进行但要固定buffer ownership；
• wrap和size必须防溢出；
• overflow策略要明确drop/newest/oldest/error。

7. Ioctl

Ioctl配置常与read/write并发。需要：

• mutex串行硬件模式；
• 防止模式切换使pending buffer解释失效；
• copy_from_user前检查size；
• reserved清零；
• compat转换；
• command超时；
• remove状态检查。

8. Mmap

Mmap建立后close不会自动撤销VMA。Driver要用VMA open/close引用对象，并在remove时：

• 禁止新mmap；
• 停止DMA；
• 必要时zap mapping；
• 等VMA引用；
• 再释放pages/MMIO。

不要把包含其它寄存器的整页映射给用户。

9. Remove

安全状态机：

LIVE
 -> DYING
 -> unregister node/cdev
 -> stop IRQ/DMA/work
 -> wake all waiters
 -> complete pending I/O
 -> wait open/VMA refs
 -> DEAD/free

只调用device_destroy()不会让已有fd失效。

10. Module引用

fops.owner=THIS_MODULE阻止open期间卸载模块代码，但不能解决：

• platform remove释放private data；
• USB/PCI热拔；
• device-managed MMIO失效；
• VMA长于fd；
  -异步callback。

需要kref、get_device()或明确disconnect对象。

11. PM

Open/read前runtime get，完成后autosuspend。阻塞read不能永久持电源引用，除非硬件必须持续监听。

Suspend应唤醒或冻结等待者，并保存能够恢复的状态。Resume后硬件queue可能丢失，需向用户报告。

12. 故障注入

测试：

• 多进程并发；
• nonblock/poll；
• signal；
• short user buffer；
• device unplug；
• suspend中I/O；
• mmap后remove；
• command timeout；
• buffer overflow；
• 32位compat应用。