Linux内核数据结构kfifo详解

Linux kernal 鬼斧神工，博大精深，让人叹为观止，拍手叫绝。然匠心独运的设计并非扑朔迷离、盘根错节，真正的匠心独运乃辞简理博、化繁为简，在简洁中昭显优雅和智慧，kfifo就是这样一种数据结构，它就是这样简约高效，匠心独运，妙不可言，下面就跟大家一起探讨学习。

一、kfifo概述

本文分析的原代码版本	2.6.32.63
kfifo的头文件	include/linux/kfifo.h
kfifo的源文件	kernel/kfifo.c

kfifo是一种"First In First Out “数据结构，它采用了前面提到的环形缓冲区来实现，提供一个无边界的字节流服务。采用环形缓冲区的好处为，当一个数据元素被用掉后，其余数据元素不需要移动其存储位置，从而减少拷贝提高效率。更重要的是，kfifo采用了并行无锁技术，kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不需要加锁同步的。 1: struct kfifo { 2: unsigned char *buffer; /* the buffer holding the data */ 3: unsigned int size; /* the size of the allocated buffer */ 4: unsigned int in; /* data is added at offset （in % size） */ 5: unsigned int out; /* data is extracted from off. （out % size） */ 6: spinlock_t *lock; /* protects concurrent modifications */ 7: };

buffer	用于存放数据的缓存
size	缓冲区空间的大小，在初化时，将它向上圆整成2的幂
in	指向buffer中队头
out	指向buffer中的队尾
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，必须使用该lock实施同步。

它的结构如图：这看起来与普通的环形缓冲区没有什么差别，但是让人叹为观止的地方就是它巧妙的用 in 和 out 的关系和特性，处理各种操作，下面我们来详细分析。

二、kfifo内存分配和初始化

首先，看一个很有趣的函数，判断一个数是否为2的次幂，按照一般的思路，求一个数n是否为2的次幂的方法为看 n % 2 是否等于0，我们知道“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高，有兴趣的同学可以自己做下实验。下面再验证一下这样取2的模的正确性，若n为2的次幂，则n和n-1的二进制各个位肯定不同（如8（1000）和7（0111）），&出来的结果肯定是0；如果n不为2的次幂，则各个位肯定有相同的（如7（0111）和6（0110）），&出来结果肯定为0。是不是很巧妙？ 1: bool is_power_of_2（unsigned long n） 2: { 3: return （n ！= 0 && （（n & （n - 1）） == 0））; 4: }再看下kfifo内存分配和初始化的代码，前面提到kfifo总是对size进行2次幂的圆整，这样的好处不言而喻，可以将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）“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高还记得不，不放过任何一点可以提高效率的地方。 1: struct kfifo *kfifo_alloc（unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock） 2: { 3: unsigned char *buffer; 4: struct kfifo *ret; 5: 6: /* 7: * round up to the next power of 2, since our "let the indices 8: * wrap" technique works only in this case. 9: */10: if （！is_power_of_2（size）） {11: BUG_ON（size > 0x80000000）;12: size = roundup_pow_of_two（size）;13: }14: 15: buffer = kmalloc（size, gfp_mask）;16: if （！buffer）17: return ERR_PTR（-ENOMEM）;18: 19: ret = kfifo_init（buffer, size, gfp_mask, lock）;20: 21: if （IS_ERR（ret））22: kfree（buffer）;23: 24: return ret;25: }

三、kfifo并发无锁奥秘---内存屏障

为什么kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不需要加锁同步的呢？天底下没有免费的午餐的道理人人都懂，下面我们就来看看kfifo实现并发无锁的奥秘。我们知道编译器编译源代码时，会将源代码进行优化，将源代码的指令进行重排序，以适合于CPU的并行执行。然而，内核同步必须避免指令重新排序，优化屏障（Optimization barrier）避免编译器的重排序优化操作，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。举个例子，如果多核CPU执行以下程序： 1: a = 1; 2: b = a + 1; 3: assert（b == 2）;假设初始时a和b的值都是0，a处于CPU1-cache中，b处于CPU0-cache中。如果按照下面流程执行这段代码：

1 CPU0执行a=1;
2 因为a在CPU1-cache中，所以CPU0发送一个read invalidate消息来占有数据
3 CPU0将a存入store buffer
4 CPU1接收到read invalidate消息，于是它传递cache-line，并从自己的cache中移出该cache-line
5 CPU0开始执行b=a+1;
6 CPU0接收到了CPU1传递来的cache-line，即“a=0”
7 CPU0从cache中读取a的值，即“0”
8 CPU0更新cache-line，将store buffer中的数据写入，即“a=1”
9 CPU0使用读取到的a的值“0”，执行加1操作，并将结果“1”写入b（b在CPU0-cache中，所以直接进行）
10 CPU0执行assert（b == 2）; 失败

软件可通过读写屏障强制内存访问次序。读写屏障像一堵墙，所有在设置读写屏障之前发起的内存访问，必须先于在设置屏障之后发起的内存访问之前完成，确保内存访问按程序的顺序完成。Linux内核提供的内存屏障API函数说明如下表。内存屏障可用于多处理器和单处理器系统，如果仅用于多处理器系统，就使用smp_xxx函数，在单处理器系统上，它们什么都不要。

smp_rmb	适用于多处理器的读内存屏障。
smp_wmb	适用于多处理器的写内存屏障。
smp_mb	适用于多处理器的内存屏障。

如果对上述代码加上内存屏障,就能保证在CPU0取a时，一定已经设置好了a = 1: 1: void foo（void） 2: { 3: a = 1; 4: smp_wmb（）; 5: b = a + 1; 6: }这里只是简单介绍了内存屏障的概念，如果想对内存屏障有进一步理解,请参考我的译文《为什么需要内存屏障》。

四、kfifo的入队__kfifo_put和出队__kfifo_get操作

__kfifo_put是入队操作，它先将数据放入buffer中，然后移动in的位置，其源代码如下： 1: unsigned int __kfifo_put（struct kfifo *fifo, 2: const unsigned char *buffer, unsigned int len） 3: { 4: unsigned int l; 5: 6: len = min（len, fifo->size - fifo->in + fifo->out）; 7: 8: /* 9: * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we10: * start putting bytes into the kfifo.11: */12: 13: smp_mb（）;14: 15: /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */16: l = min（len, fifo->size - （fifo->in & （fifo->size - 1）））;17: memcpy（fifo->buffer + （fifo->in & （fifo->size - 1））, buffer, l）;18: 19: /* then put the rest （if any） at the beginning of the buffer */20: memcpy（fifo->buffer, buffer + l, len - l）;21: 22: /*23: * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-24: * we update the fifo->in index.25: */26: 27: smp_wmb（）;28: 29: fifo->in += len;30: 31: return len;32: } 6行，环形缓冲区的剩余容量为fifo->size - fifo->in + fifo->out，让写入的长度取len和剩余容量中较小的，避免写越界；13行，加内存屏障，保证在开始放入数据之前，fifo->out取到正确的值（另一个CPU可能正在改写out值）16行，前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整，而且kfifo->in % kfifo->size 可以转化为 kfifo->in & （kfifo->size – 1），所以fifo->size - （fifo->in & （fifo->size - 1））即位 fifo->in 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值，即为需要拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上。17行，拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上，如果l = len，则已拷贝完成，第20行len – l 为0，将不执行，如果l = fifo->size - （fifo->in & （fifo->size - 1）），则第20行还需要把剩下的 len – l 长度拷贝到buffer的头部。27行，加写内存屏障，保证in 加之前，memcpy的字节已经全部写入buffer，如果不加内存屏障，可能数据还没写完，另一个CPU就来读数据，读到的缓冲区内的数据不完全，因为读数据是通过 in – out 来判断的。29行，注意这里只是用了 fifo->in += len而未取模，这就是kfifo的设计精妙之处，这里用到了unsigned int的溢出性质，当in 持续增加到溢出时又会被置为0，这样就节省了每次in向前增加都要取模的性能，锱铢必较，精益求精，让人不得不佩服。 __kfifo_get是出队操作，它从buffer中取出数据，然后移动out的位置，其源代码如下： 1: unsigned int __kfifo_get（struct kfifo *fifo, 2: unsigned char *buffer, unsigned int len） 3: { 4: unsigned int l; 5: 6: len = min（len, fifo->in - fifo->out）; 7: 8: /* 9: * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we10: * start removing bytes from the kfifo.11: */12: 13: smp_rmb（）;14: 15: /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */16: l = min（len, fifo->size - （fifo->out & （fifo->size - 1）））;17: memcpy（buffer, fifo->buffer + （fifo->out & （fifo->size - 1））, l）;18: 19: /* then get the rest （if any） from the beginning of the buffer */20: memcpy（buffer + l, fifo->buffer, len - l）;21: 22: /*23: * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-24: * we update the fifo->out index.25: */26: 27: smp_mb（）;28: 29: fifo->out += len;30: 31: return len;32: }6行，可去读的长度为fifo->in – fifo->out，让读的长度取len和剩余容量中较小的，避免读越界；13行，加读内存屏障，保证在开始取数据之前，fifo->in取到正确的值（另一个CPU可能正在改写in值）16行，前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整，而且kfifo->out % kfifo->size 可以转化为 kfifo->out & （kfifo->size – 1），所以fifo->size - （fifo->out & （fifo->size - 1））即位 fifo->out 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值，即为从fifo->buffer + fifo->in到末尾所要去读的长度。17行，从fifo->buffer + fifo->out的位置开始读取l长度，如果l = len，则已读取完成，第20行len – l 为0，将不执行，如果l =fifo->size - （fifo->out & （fifo->size - 1）），则第20行还需从buffer头部读取 len – l 长。27行，加内存屏障，保证在修改out前，已经从buffer中取走了数据，如果不加屏障，可能先执行了增加out的操作，数据还没取完，令一个CPU可能已经往buffer写数据，将数据破坏，因为写数据是通过fifo->size - （fifo->in & （fifo->size - 1））来判断的。29行，注意这里只是用了 fifo->out += len 也未取模，同样unsigned int的溢出性质，当out 持续增加到溢出时又会被置为0，如果in先溢出，出现 in < out 的情况，那么 in – out 为负数（又将溢出），in – out 的值还是为buffer中数据的长度。这里图解一下 in 先溢出的情况，size = 64，写入前 in = 4294967291， out = 4294967279 ，数据 in – out = 12; 写入数据16个字节，则 in + 16 = 4294967307，溢出为 11，此时 in – out = –4294967268，溢出为28，数据长度仍然正确，由此可见，在这种特殊情况下，这种计算仍然正确，是不是让人叹为观止，妙不可言？

五、扩展

kfifo设计精巧，妙不可言，但主要为内核提供服务，内存屏障函数也主要为内核提供服务，并未开放出来，但是我们学习到了这种设计巧妙之处，就可以依葫芦画瓢，写出自己的并发无锁环形缓冲区，这将在下篇文章中给出，至于内存屏障函数的问题，好在gcc 4.2以上的版本都内置提供__sync_synchronize（）这类的函数，效果相差不多。《并发无锁环形队列的实现》给出自己的并发无锁的实现，有兴趣的朋友可以参考一下。本文永久更新链接地址：http://www.linuxidc.com/Linux/2016-12/137936.htm