巧夺天工的kfifo：Linux Kernel中的无锁环形缓冲讲解

原文：CSDN博主-海枫

http://blog.csdn.net/linyt/article/details/5764312

 

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

1. 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 */   
};  

  

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---------->|                                    | 
+--------------------------------------------------------------+ 
            ^                                       ^  
             |                                        | 
            in                                       out

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的分析。

2. 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;   
}   

 

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。 这些都是很常用的技巧，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。

 

3. __kfifo_put和__kfifo_get，巧妙的入队和出队操作，无锁并发

__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。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。

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;   
}  
  
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;   
}   

 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->out < kfifo->in，除非kfifo->in回绕到了0的那一端，即使如此，代码中计算长度的性质仍然是保持的。

我们先用简单的例子来形象说明这些性质吧：

+----------------------------------------+ 
|                                   |<—data--->|  | 
+----------------------------------------+ 
                                    ^                 ^ 
                                    |                   | 
                                    out               in

 

上图的out和in为kfifo->buffer的出队数据和入队数据的一下，方框为buffer的内存区域。当有数据入队时，那么in的值可能超过kfifo->size的值，那么我们使用另一个虚拟的方框来表示in变化后，在buffer内对kfifo->size取模的值。如下图如标：

 

     真实的buffer内存                                     虚拟的buffer内存，方便查看in对kfifo->size取模后在buffer的下标 
+----------------------------------------+ +------------------------------------+ 
|                                   |<—data-------|  |--------->|                                    | 
+----------------------------------------+ +------------------------------------+ 
                                    ^                                       ^ 
                                    |                                        | 
                                    out                                    in

当用户调用__kfifo_put函数，入队的数据使kfifo的内存关系，引起上述两图的变化时，要拷贝两次内存。

因为入队数据，一部存放在kfifo->buffer的尾部，另一部分存放在kfifo->buffer的头部，计算公式非常简单。

l = kfifo->size – kfifo->in & (kfifo->size – 1) 表示in下标到buffer末尾，还有多少空间。

如果len表示需要拷贝的长度的话，那么len - l则表示有多少字节需要拷贝到buffer开始之处。

这样，我们读__kfifo_put代码就很容易了。

len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);

fifo->in – fifo->out表示队列里面已使用的空间大小，fifo->size - (fifo->in – fifo->out)表示队列未使用的空间，

因此en = min(…)，取两者之小，表示实际要拷贝的字节数。

拷贝len个字符数，fifo->in到buffer末尾所剩的空间是多少，这里面计算：

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);

l表示len或fifo->in到buffer末尾所剩的空进行间大小的最小值，因为需要拷l字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上；那么剩下要拷贝到buffer开始之处的长度为len – l，当然，此值可能会为0，为0 时，memcpy函数不进行任何拷贝。

所有的拷贝完成后（可能是一次，也可能是两次memcpy)，fifo->in 直接+= len，不需要取模运算。

写到这里，细心的读者会发现，如果fifo->in超过了unsigned int的最大值时，而回绕到0这一端，上述的计算公式还正确吗？ 答案是肯定的。

因为fifo->size的大小是2的幂，而unsigned int空间的大小是2^32，后者刚好是前者的倍数。如果从上述两个图的方式来描述，则表示unsigned int空间的数轴上刚好可以划成一定数量个kfifo->size大小方框，没有长度多余。这样，fifo->in/fifo->out对fifo->size取模后，刚好落后对应的位置上。

现在假设往kfifo加入数据后，使用fifo->in < fifo->out关系，如下：

+----------------------------------------+                                   +------------------------------------+ 
|—data—>|                                          |          ……                     |                               |<--data------| 
+----------------------------------------+                                   +------------------------------------+ 
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------->| 
0                                                                                                                                         0xffffffff 
              ^                                                                                                                ^ 
              |                                                                                                                  | 
              in                                                                                                                out

 

假设kfifo中数据的长度为ldata，那么fifo->in和fifo->out有这样的关系：fifo->in = fifo->out + ldata，并且fifo->in < fifo->out。这说明fifo->in 回绕到0这一段了，尽管如此，fifo->in和fifo->out的差距还是保持的，没有变化。即fifo->in – fifo->out仍然是ldata, 那么此时的可用空间是fifo->size – ldata = fifo->size - (fifo->in – fifo->out) = fifo->size – fifo->in + fifo->out。

因此无论fifo->in和fifo->out谁大谁小，计算fifo剩余空间大小的公式fifo->size – fifo->in + fifo->out都正确，故可以保证__kfifo_put函数里面的长度计算均是正确的。

__kfifo_get函数使用fifo->in – fifo->out来计算fifo内数据的空间长度，然后再后需要出队的数据，是否需要两次拷贝。其中原理和方法都和__kfifo_put是一样的。

4. 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。