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Linux 下 C++ 操作串口并彻底释放控制权的总结

news 来源：原创 2024/10/1 15:51:29

文章目录

- 0. 引言
- 1. 问题描述
- 2. 原因分析
- 3. 解决方案
- 4. 代码示例
- - 4.1 代码说明
  - 4.2 关键点解释
- 5. 总结
- 6. 附录：进一步优化建议

0. 引言

在 Linux 系统下，通过 C++ 操作串口并确保其正确释放控制权，是一个常见需处理的问题。本文将通过实际案例，分析在多线程环境下串口无法释放控制权的原因，并提供解决方案。

1. 问题描述

在使用 C++ 打开并操作串口（例如 /dev/ttyUSB0）时，调用 close(fd) 返回 0，但串口控制权未能被彻底释放。这导致其他程序无法正常访问该串口设备。经排查发现，问题出在读取数据的线程仍在阻塞的 read() 调用中，导致串口无法真正释放。

2. 原因分析

在多线程程序中，文件描述符（fd）是被所有线程共享的。当一个线程在阻塞状态下调用 read(fd, ...) 时，另一个线程尝试关闭该文件描述符（调用 close(fd)）会导致以下问题：

阻塞的 read() 调用：读取线程仍在等待数据，无法及时响应关闭信号。
资源未完全释放：由于读取线程仍持有对文件描述符的引用，系统无法完全释放串口资源，导致其他程序无法访问。

3. 解决方案

为确保串口控制权能够被彻底释放，需要在关闭文件描述符前，确保所有使用该串口的线程已停止操作。具体步骤如下：

使用线程同步机制：引入一个线程安全的标志位，通知读取线程停止读取并退出。
中断阻塞的 read() 调用：通过关闭文件描述符，强制阻塞在 read() 的读取线程中断 read() 调用，使其返回错误。
等待读取线程结束：在关闭文件描述符后，使用 std::thread::join() 等待读取线程完成，确保所有资源被正确释放。

4. 代码示例

以下是一个完整的 C++ 示例，展示如何在多线程环境下正确管理串口的打开、读取和关闭，确保串口控制权的彻底释放。代码中的日志统一使用 fprintf 进行打印。

#include <iostream>
#include <fcntl.h>      // For open()
#include <termios.h>    // For termios structures and functions
#include <unistd.h>     // For close()
#include <cstring>      // For memset()
#include <cerrno>       // For errno
#include <thread>       // For std::thread
#include <atomic>       // For std::atomic// Atomic flag to control the reading thread
std::atomic<bool> keepReading(true);// Function executed by the reading thread
void readThreadFunction(int fd) {char buffer[256];while (keepReading.load()) {ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (bytesRead > 0) {// Process the read datafprintf(stdout, "Read %zd bytes: ", bytesRead);fwrite(buffer, 1, bytesRead, stdout);fprintf(stdout, "\n");} else if (bytesRead == -1) {if (errno == EINTR) {// Interrupted by a signal, continue readingcontinue;} else if (errno == EBADF) {// File descriptor was closed, exit the loopbreak;} else {fprintf(stderr, "Read error: %s\n", strerror(errno));break;}} else {// EOF reachedbreak;}}fprintf(stdout, "Read thread exiting.\n");
}int main() {const char* portname = "/dev/ttyUSB0";  // Serial port device nameint fd = open(portname, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY); // Open the serial portif (fd == -1) {fprintf(stderr, "Unable to open port %s: %s\n", portname, strerror(errno));return -1;}// Clear the O_NDELAY flag to make read() blockingif (fcntl(fd, F_SETFL, 0) == -1) {fprintf(stderr, "fcntl failed: %s\n", strerror(errno));close(fd);return -1;}struct termios options;if (tcgetattr(fd, &options) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to get attributes: %s\n", strerror(errno));close(fd);return -1;}// Set baud rates to 115200if (cfsetispeed(&options, B115200) < 0 || cfsetospeed(&options, B115200) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to set baud rate: %s\n", strerror(errno));close(fd);return -1;}// Configure 8N1options.c_cflag &= ~PARENB; // No parityoptions.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1 stop bitoptions.c_cflag &= ~CSIZE;options.c_cflag |= CS8;     // 8 data bits// Enable the receiver and set local modeoptions.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);// Set raw input mode (non-canonical, no echo)options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // Disable software flow controloptions.c_oflag &= ~OPOST;                  // Disable output processing// Apply the settingsif (tcsetattr(fd, TCSANOW, &options) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to set attributes: %s\n", strerror(errno));close(fd);return -1;}fprintf(stdout, "Serial port opened and configured successfully.\n");// Start the reading threadstd::thread reader(readThreadFunction, fd);// Simulate main thread workfprintf(stdout, "Press Enter to stop reading and close the serial port...\n");std::cin.get();// Signal the reading thread to stopkeepReading.store(false);// Close the file descriptor to interrupt read()if (close(fd) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to close port: %s\n", strerror(errno));}// Wait for the reading thread to finishif (reader.joinable()) {reader.join();}fprintf(stdout, "Serial port closed and control released.\n");return 0;
}

4.1 代码说明

打开串口：
```
int fd = open(portname, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
```
- O_RDWR: 以读写模式打开。
- O_NOCTTY: 串口不会成为调用进程的控制终端。
- O_NDELAY: 打开时不阻塞。
配置串口参数：
使用 termios 结构体设置波特率为 115200，数据位为 8 位，无奇偶校验和 1 位停止位（8N1 模式）。
启动读取线程：
```
std::thread reader(readThreadFunction, fd);
```
创建一个新线程来处理串口数据的读取。
关闭串口：
在主线程接收到用户输入后，设置 keepReading 为 false，并关闭文件描述符 fd，这将中断阻塞在 read() 的读取线程。
等待线程结束：
使用 reader.join() 等待读取线程安全退出，确保资源的正确释放。

4.2 关键点解释

线程同步：
使用 std::atomic<bool> 类型的 keepReading 变量，确保主线程与读取线程之间的同步。当主线程需要关闭串口时，通过设置 keepReading 为 false，通知读取线程退出循环。
中断阻塞的 read() 调用：
关闭文件描述符 close(fd) 会导致阻塞在 read(fd, ...) 的读取线程中断 read() 调用，read() 返回 -1，errno 被设置为 EBADF。读取线程检测到 EBADF 后，退出循环。
等待线程结束：
使用 std::thread::join() 等待读取线程完成，确保所有资源在释放前已被正确处理。