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Linux kernel里面从来就不缺少简洁,优雅和高效的代码,只是我们缺少发现和品味的眼光。在Linux kernel里面,简洁并不表示代码使用神出鬼没的超然技巧,相反,它使用的不过是大家非常熟悉的基础数据结构,但是kernel开发者能从基础的数据结构中,提炼出优美的特性。 
kfifo就是这样的一类优美代码,它十分简洁,绝无多余的一行代码,却非常高效。 
关于kfifo信息如下:
本文分析的原代码版本: 2.6.24.4
kfifo的定义文件: kernel/kfifo.c
kfifo的头文件: include/linux/kfifo.h
kfifo概述
kfifo是内核里面的一个First In First Out数据结构,它采用环形循环队列的数据结构来实现;它提供一个无边界的字节流服务,最重要的一点是,它使用并行无锁编程技术,即当它用于只有一个入队线程和一个出队线程的场情时,两个线程可以并发操作,而不需要任何加锁行为,就可以保证kfifo的线程安全。 
kfifo代码既然肩负着这么多特性,那我们先一敝它的代码:
struct kfifo {
    unsigned char *buffer;    /* the buffer holding the data */
    unsigned int size;    /* the size of the allocated buffer */
    unsigned int in;    /* data is added at offset (in % size) */
    unsigned int out;    /* data is extracted from off. (out % size) */
    spinlock_t *lock;    /* protects concurrent modifications */
};
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这是kfifo的数据结构,kfifo主要提供了两个操作,__kfifo_put(入队操作)和__kfifo_get(出队操作)。 它的各个数据成员如下:
buffer: 用于存放数据的缓存
size: buffer空间的大小,在初化时,将它向上扩展成2的幂
lock: 如果使用不能保证任何时间最多只有一个读线程和写线程,需要使用该lock实施同步。
in, out: 和buffer一起构成一个循环队列。 in指向buffer中队头,而且out指向buffer中的队尾,它的结构如示图如下:
+--------------------------------------------------------------+
|            |<----------data---------->|                      |
+--------------------------------------------------------------+
             ^                          ^                      ^
             |                          |                      |
            out                        in                     size
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当然,内核开发者使用了一种更好的技术处理了in, out和buffer的关系,我们将在下面进行详细分析。
kfifo功能描述
kfifo提供如下对外功能规格
只支持一个读者和一个读者并发操作
无阻塞的读写操作,如果空间不够,则返回实际访问空间
kfifo_alloc 分配kfifo内存和初始化工作
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
    unsigned char *buffer;
    struct kfifo *ret;
    /*
     * round up to the next power of 2, since our 'let the indices
     * wrap' tachnique works only in this case.
     */
    if (size & (size - 1)) {
        BUG_ON(size > 0x80000000);
        size = roundup_pow_of_two(size);
    }
    buffer = kmalloc(size, gfp_mask);
    if (!buffer)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);
    ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);
    if (IS_ERR(ret))
        kfree(buffer);
    return ret;
}
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这里值得一提的是,kfifo->size的值总是在调用者传进来的size参数的基础上向2的幂扩展,这是内核一贯的做法。这样的好处不言而喻——对kfifo->size取模运算可以转化为与运算,如下:
kfifo->in % kfifo->size 可以转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)
在kfifo_alloc函数中,使用size & (size – 1)来判断size 是否为2幂,如果条件为真,则表示size不是2的幂,然后调用roundup_pow_of_two将之向上扩展为2的幂。
这都是常用的技巧,只不过大家没有将它们结合起来使用而已,下面要分析的__kfifo_put和__kfifo_get则是将kfifo->size的特点发挥到了极致。
__kfifo_put和__kfifo_get巧妙的入队和出队
__kfifo_put是入队操作,它先将数据放入buffer里面,最后才修改in参数;__kfifo_get是出队操作,它先将数据从buffer中移走,最后才修改out。你会发现in和out两者各司其职。
下面是__kfifo_put和__kfifo_get的代码
unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned int l;
    len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);
    /*
     * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we
     * start putting bytes into the kfifo.
     */
    smp_mb();
    /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */
    l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
    memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);
    /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */
    memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);
    /*
     * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-
     * we update the fifo->in index.
     */
    smp_wmb();
    fifo->in += len;
    return len;
}
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奇怪吗?代码完全是线性结构,没有任何if-else分支来判断是否有足够的空间存放数据。内核在这里的代码非常简洁,没有一行多余的代码。
l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
这个表达式计算当前写入的空间,换成人可理解的语言就是:
l = kfifo可写空间和预期写入空间的最小值
使用min宏来代if-else分支
__kfifo_get也应用了同样技巧,代码如下:
unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned int l;
    len = min(len, fifo->in - fifo->out);
    /*
     * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we
     * start removing bytes from the kfifo.
     */
    smp_rmb();
    /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */
    l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));
    memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);
    /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */
    memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);
    /*
     * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-
     * we update the fifo->out index.
     */
    smp_mb();
    fifo->out += len;
    return len;
}
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认真读两遍吧,我也读了多次,每次总是有新发现,因为in, out和size的关系太巧妙了,竟然能利用上unsigned int回绕的特性。
原来,kfifo每次入队或出队,kfifo->in或kfifo->out只是简单地kfifo->in/kfifo->out += len,并没有对kfifo->size 进行取模运算。因此kfifo->in和kfifo->out总是一直增大,直到unsigned in最大值时,又会绕回到0这一起始端。但始终满足:
kfifo->in - kfifo->out <= kfifo->size
即使kfifo->in回绕到了0的那一端,这个性质仍然是保持的。
对于给定的kfifo:
数据空间长度为:kfifo->in - kfifo->out
而剩余空间(可写入空间)长度为:kfifo->size - (kfifo->in - kfifo->out)
尽管kfifo->in和kfofo->out一直超过kfifo->size进行增长,但它对应在kfifo->buffer空间的下标却是如下:
kfifo->in % kfifo->size (i.e. kfifo->in & (kfifo->size - 1))
kfifo->out % kfifo->size (i.e. kfifo->out & (kfifo->size - 1))
往kfifo里面写一块数据时,数据空间、写入空间和kfifo->size的关系如果满足:
kfifo->in % size + len > size
那就要做写拆分了,见下图:
                                                    kfifo_put(写)空间开始地址
                                                    |
                                                   \_/
                                                    |XXXXXXXXXX
XXXXXXXX|                                                    
+--------------------------------------------------------------+
|                        |<----------data---------->|          |
+--------------------------------------------------------------+
                         ^                          ^          ^
                         |                          |          |
                       out%size                   in%size     size
        ^
        |
      写空间结束地址                      
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第一块当然是: [kfifo->in % kfifo->size, kfifo->size] 
第二块当然是:[0, len - (kfifo->size - kfifo->in % kfifo->size)]
下面是代码,细细体味吧:
/* first put the data starting from fifo->in to buffer end */   
l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));   
memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);   
/* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */   
memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);  
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对于kfifo_get过程,也是类似的,请各位自行分析。
kfifo_get和kfifo_put无锁并发操作
计算机科学家已经证明,当只有一个读经程和一个写线程并发操作时,不需要任何额外的锁,就可以确保是线程安全的,也即kfifo使用了无锁编程技术,以提高kernel的并发。
kfifo使用in和out两个指针来描述写入和读取游标,对于写入操作,只更新in指针,而读取操作,只更新out指针,可谓井水不犯河水,示意图如下:
                                               |<--写入-->|
+--------------------------------------------------------------+
|                        |<----------data----->|               |
+--------------------------------------------------------------+
                         |<--读取-->|
                         ^                     ^               ^
                         |                     |               |
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为了避免读者看到写者预计写入,但实际没有写入数据的空间,写者必须保证以下的写入顺序:
往[kfifo->in, kfifo->in + len]空间写入数据
更新kfifo->in指针为 kfifo->in + len
在操作1完成时,读者是还没有看到写入的信息的,因为kfifo->in没有变化,认为读者还没有开始写操作,只有更新kfifo->in之后,读者才能看到。
那么如何保证1必须在2之前完成,秘密就是使用内存屏障:smp_mb(),smp_rmb(), smp_wmb(),来保证对方观察到的内存操作顺序。
总结
读完kfifo代码,令我想起那首诗“众里寻他千百度,默然回首,那人正在灯火阑珊处”。不知你是否和我一样,总想追求简洁,高质量和可读性的代码,当用尽各种方法,江郞才尽之时,才发现Linux kernel里面的代码就是我们寻找和学习的对象
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版权声明:本文为CSDN博主「海枫」的原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/linyt/article/details/53355355
posted on 2020-04-23 16:38 长戟十三千 阅读(46) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 编程技巧随笔

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