linux内核数据结构之kfifo

1、前言

  最近项目中用到一个环形缓冲区(ring buffer),代码是由linux内核的kfifo改过来的。缓冲区在文件系统中经常用到,通过缓冲区缓解cpu读写内存和读写磁盘的速度。例如一个进程A产生数据发给另外一个进程B,进程B需要对进程A传的数据进行处理并写入文件,如果B没有处理完,则A要延迟发送。为了保证进程A减少等待时间,可以在A和B之间采用一个缓冲区,A每次将数据存放在缓冲区中,B每次冲缓冲区中取。这是典型的生产者和消费者模型,缓冲区中数据满足FIFO特性,因此可以采用队列进行实现。Linux内核的kfifo正好是一个环形队列,可以用来当作环形缓冲区。生产者与消费者使用缓冲区如下图所示:

  环形缓冲区的详细介绍及实现方法可以参考http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_buffer,介绍的非常详细,列举了实现环形队列的几种方法。环形队列的不便之处在于如何判断队列是空还是满。维基百科上给三种实现方法。

2、linux 内核kfifo

  kfifo设计的非常巧妙,代码很精简,对于入队和出对处理的出人意料。首先看一下kfifo的数据结构:

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 */
};

kfifo提供的方法有:

 1 //根据给定buffer创建一个kfifo
 2 struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
 3                 gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock);
 4 //给定size分配buffer和kfifo
 5 struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
 6                  spinlock_t *lock);
 7 //释放kfifo空间
 8 void kfifo_free(struct kfifo *fifo)
 9 //向kfifo中添加数据
10 unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
11                 const unsigned char *buffer, unsigned int len)
12 //从kfifo中取数据
13 unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
14                 const unsigned char *buffer, unsigned int len)
15 //获取kfifo中有数据的buffer大小
16 unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo)

       定义自旋锁的目的为了防止多进程/线程并发使用kfifo。因为in和out在每次get和out时,发生改变。初始化和创建kfifo的源代码如下:

 1 struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
 2              gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
 3 {
 4     struct kfifo *fifo;
 6     /* size must be a power of 2 */
 7     BUG_ON(!is_power_of_2(size));
 9     fifo = kmalloc(sizeof(struct kfifo), gfp_mask);
10     if (!fifo)
11         return ERR_PTR(-ENOMEM);
13     fifo->buffer = buffer;
14     fifo->size = size;
15     fifo->in = fifo->out = 0;
16     fifo->lock = lock;
17
18     return fifo;
19 }
20 struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
21 {
22     unsigned char *buffer;
23     struct kfifo *ret;
29     if (!is_power_of_2(size)) {
30         BUG_ON(size > 0x80000000);
31         size = roundup_pow_of_two(size);
32     }
34     buffer = kmalloc(size, gfp_mask);
35     if (!buffer)
36         return ERR_PTR(-ENOMEM);
38     ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);
39
40     if (IS_ERR(ret))
41         kfree(buffer);
43     return ret;
44 }

  在kfifo_init和kfifo_calloc中,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:kfifo->in % kfifo->size 可以转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)

      kfifo的巧妙之处在于in和out定义为无符号类型,在put和get时,in和out都是增加,当达到最大值时,产生溢出,使得从0开始,进行循环使用。put和get代码如下所示:

 1 static inline unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
 2                 const unsigned char *buffer, unsigned int len)
 3 {
 4     unsigned long flags;
 5     unsigned int ret;
 6     spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
 7     ret = __kfifo_put(fifo, buffer, len);
 8     spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
 9     return ret;
10 }
11
12 static inline unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo,
13                      unsigned char *buffer, unsigned int len)
14 {
15     unsigned long flags;
16     unsigned int ret;
17     spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
18     ret = __kfifo_get(fifo, buffer, len);
19         //当fifo->in == fifo->out时,buufer为空
20     if (fifo->in == fifo->out)
21         fifo->in = fifo->out = 0;
22     spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
23     return ret;
24 }
25
26
27 unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,
28             const unsigned char *buffer, unsigned int len)
29 {
30     unsigned int l;
31        //buffer中空的长度
32     len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);
34     /*
35      * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we
36      * start putting bytes into the kfifo.
37      */
39     smp_mb();
41     /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */
42     l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
43     memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);
45     /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */
46     memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);
47
48     /*
49      * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-
50      * we update the fifo->in index.
51      */
53     smp_wmb();
55     fifo->in += len;  //每次累加,到达最大值后溢出,自动转为0
57     return len;
58 }
59
60 unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,
61              unsigned char *buffer, unsigned int len)
62 {
63     unsigned int l;
64         //有数据的缓冲区的长度
65     len = min(len, fifo->in - fifo->out);
67     /*
68      * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we
69      * start removing bytes from the kfifo.
70      */
72     smp_rmb();
74     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */
75     l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));
76     memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);
78     /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */
79     memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);
81     /*
82      * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-
83      * we update the fifo->out index.
84      */
86     smp_mb();
88     fifo->out += len; //每次累加,到达最大值后溢出,自动转为0
90     return len;
91 }

  put和get在调用__put和__get过程都进行加锁,防止并发。从代码中可以看出put和get都调用两次memcpy,这针对的是边界条件。例如下图:蓝色表示空闲,红色表示占用。

(1)空的kfifo,

(2)put一个buffer后

(3)get一个buffer后

(4)当此时put的buffer长度超出in到末尾长度时,则将剩下的移到头部去

3、测试程序

 仿照kfifo编写一个ring_buffer,现有线程互斥量进行并发控制。设计的ring_buffer如下所示:

  1 /**@brief 仿照linux kfifo写的ring buffer
  2  *@atuher Anker  date:2013-12-18
  3 * ring_buffer.h
  4  * */
  5
  6 #ifndef KFIFO_HEADER_H
  7 #define KFIFO_HEADER_H
  8
  9 #include <inttypes.h>
 10 #include <string.h>
 11 #include <stdlib.h>
 12 #include <stdio.h>
 13 #include <errno.h>
 14 #include <assert.h>
 15
 16 //判断x是否是2的次方
 17 #define is_power_of_2(x) ((x) != 0 && (((x) & ((x) - 1)) == 0))
 18 //取a和b中最小值
 19 #define min(a, b) (((a) < (b)) ? (a) : (b))
 20
 21 struct ring_buffer
 22 {
 23     void         *buffer;     //缓冲区
 24     uint32_t     size;       //大小
 25     uint32_t     in;         //入口位置
 26     uint32_t       out;        //出口位置
 27     pthread_mutex_t *f_lock;    //互斥锁
 28 };
 29 //初始化缓冲区
 30 struct ring_buffer* ring_buffer_init(void *buffer, uint32_t size, pthread_mutex_t *f_lock)
 31 {
 32     assert(buffer);
 33     struct ring_buffer *ring_buf = NULL;
 34     if (!is_power_of_2(size))
 35     {
 36     fprintf(stderr,"size must be power of 2.\n");
 37         return ring_buf;
 38     }
 39     ring_buf = (struct ring_buffer *)malloc(sizeof(struct ring_buffer));
 40     if (!ring_buf)
 41     {
 42         fprintf(stderr,"Failed to malloc memory,errno:%u,reason:%s",
 43             errno, strerror(errno));
 44         return ring_buf;
 45     }
 46     memset(ring_buf, 0, sizeof(struct ring_buffer));
 47     ring_buf->buffer = buffer;
 48     ring_buf->size = size;
 49     ring_buf->in = 0;
 50     ring_buf->out = 0;
 51         ring_buf->f_lock = f_lock;
 52     return ring_buf;
 53 }
 54 //释放缓冲区
 55 void ring_buffer_free(struct ring_buffer *ring_buf)
 56 {
 57     if (ring_buf)
 58     {
 59     if (ring_buf->buffer)
 60     {
 61         free(ring_buf->buffer);
 62         ring_buf->buffer = NULL;
 63     }
 64     free(ring_buf);
 65     ring_buf = NULL;
 66     }
 67 }
 68
 69 //缓冲区的长度
 70 uint32_t __ring_buffer_len(const struct ring_buffer *ring_buf)
 71 {
 72     return (ring_buf->in - ring_buf->out);
 73 }
 74
 75 //从缓冲区中取数据
 76 uint32_t __ring_buffer_get(struct ring_buffer *ring_buf, void * buffer, uint32_t size)
 77 {
 78     assert(ring_buf || buffer);
 79     uint32_t len = 0;
 80     size  = min(size, ring_buf->in - ring_buf->out);
 81     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */
 82     len = min(size, ring_buf->size - (ring_buf->out & (ring_buf->size - 1)));
 83     memcpy(buffer, ring_buf->buffer + (ring_buf->out & (ring_buf->size - 1)), len);
 84     /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */
 85     memcpy(buffer + len, ring_buf->buffer, size - len);
 86     ring_buf->out += size;
 87     return size;
 88 }
 89 //向缓冲区中存放数据
 90 uint32_t __ring_buffer_put(struct ring_buffer *ring_buf, void *buffer, uint32_t size)
 91 {
 92     assert(ring_buf || buffer);
 93     uint32_t len = 0;
 94     size = min(size, ring_buf->size - ring_buf->in + ring_buf->out);
 95     /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */
 96     len  = min(size, ring_buf->size - (ring_buf->in & (ring_buf->size - 1)));
 97     memcpy(ring_buf->buffer + (ring_buf->in & (ring_buf->size - 1)), buffer, len);
 98     /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */
 99     memcpy(ring_buf->buffer, buffer + len, size - len);
100     ring_buf->in += size;
101     return size;
102 }
103
104 uint32_t ring_buffer_len(const struct ring_buffer *ring_buf)
105 {
106     uint32_t len = 0;
107     pthread_mutex_lock(ring_buf->f_lock);
108     len = __ring_buffer_len(ring_buf);
109     pthread_mutex_unlock(ring_buf->f_lock);
110     return len;
111 }
112
113 uint32_t ring_buffer_get(struct ring_buffer *ring_buf, void *buffer, uint32_t size)
114 {
115     uint32_t ret;
116     pthread_mutex_lock(ring_buf->f_lock);
117     ret = __ring_buffer_get(ring_buf, buffer, size);
118     //buffer中没有数据
119     if (ring_buf->in == ring_buf->out)
120     ring_buf->in = ring_buf->out = 0;
121     pthread_mutex_unlock(ring_buf->f_lock);
122     return ret;
123 }
124
125 uint32_t ring_buffer_put(struct ring_buffer *ring_buf, void *buffer, uint32_t size)
126 {
127     uint32_t ret;
128     pthread_mutex_lock(ring_buf->f_lock);
129     ret = __ring_buffer_put(ring_buf, buffer, size);
130     pthread_mutex_unlock(ring_buf->f_lock);
131     return ret;
132 }
133 #endif

采用多线程模拟生产者和消费者编写测试程序,如下所示:

  1 /**@brief ring buffer测试程序,创建两个线程,一个生产者,一个消费者。
  2  * 生产者每隔1秒向buffer中投入数据,消费者每隔2秒去取数据。
  3  *@atuher Anker  date:2013-12-18
  4  * */
  5 #include "ring_buffer.h"
  6 #include <pthread.h>
  7 #include <time.h>
  8
  9 #define BUFFER_SIZE  1024 * 1024
 10
 11 typedef struct student_info
 12 {
 13     uint64_t stu_id;
 14     uint32_t age;
 15     uint32_t score;
 16 }student_info;
 17
 18
 19 void print_student_info(const student_info *stu_info)
 20 {
 21     assert(stu_info);
 22     printf("id:%lu\t",stu_info->stu_id);
 23     printf("age:%u\t",stu_info->age);
 24     printf("score:%u\n",stu_info->score);
 25 }
 26
 27 student_info * get_student_info(time_t timer)
 28 {
 29     student_info *stu_info = (student_info *)malloc(sizeof(student_info));
 30     if (!stu_info)
 31     {
 32     fprintf(stderr, "Failed to malloc memory.\n");
 33     return NULL;
 34     }
 35     srand(timer);
 36     stu_info->stu_id = 10000 + rand() % 9999;
 37     stu_info->age = rand() % 30;
 38     stu_info->score = rand() % 101;
 39     print_student_info(stu_info);
 40     return stu_info;
 41 }
 42
 43 void * consumer_proc(void *arg)
 44 {
 45     struct ring_buffer *ring_buf = (struct ring_buffer *)arg;
 46     student_info stu_info;
 47     while(1)
 48     {
 49     sleep(2);
 50     printf("------------------------------------------\n");
 51     printf("get a student info from ring buffer.\n");
 52     ring_buffer_get(ring_buf, (void *)&stu_info, sizeof(student_info));
 53     printf("ring buffer length: %u\n", ring_buffer_len(ring_buf));
 54     print_student_info(&stu_info);
 55     printf("------------------------------------------\n");
 56     }
 57     return (void *)ring_buf;
 58 }
 59
 60 void * producer_proc(void *arg)
 61 {
 62     time_t cur_time;
 63     struct ring_buffer *ring_buf = (struct ring_buffer *)arg;
 64     while(1)
 65     {
 66     time(&cur_time);
 67     srand(cur_time);
 68     int seed = rand() % 11111;
 69     printf("******************************************\n");
 70     student_info *stu_info = get_student_info(cur_time + seed);
 71     printf("put a student info to ring buffer.\n");
 72     ring_buffer_put(ring_buf, (void *)stu_info, sizeof(student_info));
 73     printf("ring buffer length: %u\n", ring_buffer_len(ring_buf));
 74     printf("******************************************\n");
 75     sleep(1);
 76     }
 77     return (void *)ring_buf;
 78 }
 79
 80 int consumer_thread(void *arg)
 81 {
 82     int err;
 83     pthread_t tid;
 84     err = pthread_create(&tid, NULL, consumer_proc, arg);
 85     if (err != 0)
 86     {
 87     fprintf(stderr, "Failed to create consumer thread.errno:%u, reason:%s\n",
 88         errno, strerror(errno));
 89     return -1;
 90     }
 91     return tid;
 92 }
 93 int producer_thread(void *arg)
 94 {
 95     int err;
 96     pthread_t tid;
 97     err = pthread_create(&tid, NULL, producer_proc, arg);
 98     if (err != 0)
 99     {
100     fprintf(stderr, "Failed to create consumer thread.errno:%u, reason:%s\n",
101         errno, strerror(errno));
102     return -1;
103     }
104     return tid;
105 }
106
107
108 int main()
109 {
110     void * buffer = NULL;
111     uint32_t size = 0;
112     struct ring_buffer *ring_buf = NULL;
113     pthread_t consume_pid, produce_pid;
114
115     pthread_mutex_t *f_lock = (pthread_mutex_t *)malloc(sizeof(pthread_mutex_t));
116     if (pthread_mutex_init(f_lock, NULL) != 0)
117     {
118     fprintf(stderr, "Failed init mutex,errno:%u,reason:%s\n",
119         errno, strerror(errno));
120     return -1;
121     }
122     buffer = (void *)malloc(BUFFER_SIZE);
123     if (!buffer)
124     {
125     fprintf(stderr, "Failed to malloc memory.\n");
126     return -1;
127     }
128     size = BUFFER_SIZE;
129     ring_buf = ring_buffer_init(buffer, size, f_lock);
130     if (!ring_buf)
131     {
132     fprintf(stderr, "Failed to init ring buffer.\n");
133     return -1;
134     }
135 #if 0
136     student_info *stu_info = get_student_info(638946124);
137     ring_buffer_put(ring_buf, (void *)stu_info, sizeof(student_info));
138     stu_info = get_student_info(976686464);
139     ring_buffer_put(ring_buf, (void *)stu_info, sizeof(student_info));
140     ring_buffer_get(ring_buf, (void *)stu_info, sizeof(student_info));
141     print_student_info(stu_info);
142 #endif
143     printf("multi thread test.......\n");
144     produce_pid  = producer_thread((void*)ring_buf);
145     consume_pid  = consumer_thread((void*)ring_buf);
146     pthread_join(produce_pid, NULL);
147     pthread_join(consume_pid, NULL);
148     ring_buffer_free(ring_buf);
149     free(f_lock);
150     return 0;
151 }

测试结果如下所示:

时间: 2024-10-25 09:48:16

linux内核数据结构之kfifo的相关文章

linux内核数据结构之kfifo【转】

转自:http://www.cnblogs.com/Anker/p/3481373.html 1.前言 最近项目中用到一个环形缓冲区(ring buffer),代码是由linux内核的kfifo改过来的.缓冲区在文件系统中经常用到,通过缓冲区缓解cpu读写内存和读写磁盘的速度.例如一个进程A产生数据发给另外一个进程B,进程B需要对进程A传的数据进行处理并写入文件,如果B没有处理完,则A要延迟发送.为了保证进程A减少等待时间,可以在A和B之间采用一个缓冲区,A每次将数据存放在缓冲区中,B每次冲缓冲

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1.前言 最近写代码需用到链表结构,正好公共库有关于链表的.第一眼看时,觉得有点新鲜,和我之前见到的链表结构不一样,只有前驱和后继指针,而没有数据域.后来看代码注释发现该代码来自linux内核,在linux源代码下include/Lish.h下.这个链表具备通用性,使用非常方便.只需要在结构定义一个链表结构就可以使用. 2.链表介绍 链表是非常基本的数据结构,根据链个数分为单链表.双链表,根据是否循环分为单向链表和循环链表.通常定义定义链表结构如下: typedef struct node {

linux内核数据结构之链表【转】

转自:http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/12/15/3475643.html 1.前言 最近写代码需用到链表结构,正好公共库有关于链表的.第一眼看时,觉得有点新鲜,和我之前见到的链表结构不一样,只有前驱和后继指针,而没有数据域.后来看代码注释发现该代码来自linux内核,在linux源代码下include/Lish.h下.这个链表具备通用性,使用非常方便.只需要在结构定义一个链表结构就可以使用. 2.链表介绍 链表是非常基本的数据结构,根据链个数

基本数据结构和算法在Linux内核中使用

基本数据结构和算法在Linux内核中使用 gaufunga day ago 搬运工 Linux内核(源代码的链接在github). 1.链表.双向链表.无锁链表. 2.B+ 树,这是一些你无法在教科书上找到的说明. 一个相对简单的B+树的实现.我把它作为一个学习练习来帮助理解B+树是如何工作的.这同样也被证明是有用的. ... 一个在教科书中并不常见的技巧.最小的值在右侧而不是在左侧.所有在一个节点里用到的槽都在左侧,所有没有用到的槽包含了空值(NUL).大多数操作只简单地遍历所有的槽一次并在第

linux内核链表以及list_entry--linux内核数据结构(一)

传统的链表实现 之前我们前面提到的链表都是在我们原数据结构的基础上增加指针域next(或者prev),从而使各个节点能否链接在一起, 比如如下的结构信息 typedef struct fox { unsigned long tail_length; /* 尾巴长度, 以厘米为单位 */ unsigned long weight; /* 重量, 以千克为单位 */ bool is_fantastic; /* 这只狐狸奇妙么 */ }fox; 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 存储这个

Linux 内核里的数据结构——双向链表

Linux 内核里的数据结构--双向链表 Linux 内核中自己实现了双向链表,可以在 include/linux/list.h 找到定义.我们将会首先从双向链表数据结构开始介绍内核里的数据结构.为什么?因为它在内核里使用的很广泛,你只需要在 free-electrons.com 检索一下就知道了. 首先让我们看一下在 include/linux/types.h 里的主结构体: struct list_head { struct list_head *next, *prev; }; 你可能注意到

Linux内核里的数据结构——位数组

Linux 内核中的位数组和位操作 除了不同的基于链式和树的数据结构以外,Linux 内核也为位数组(或称为位图(bitmap))提供了 API.位数组在 Linux 内核里被广泛使用,并且在以下的源代码文件中包含了与这样的结构搭配使用的通用 API: lib/bitmap.c include/linux/bitmap.h 除了这两个文件之外,还有体系结构特定的头文件,它们为特定的体系结构提供优化的位操作.我们将探讨 x86_64 体系结构,因此在我们的例子里,它会是 arch/x86/incl

Linux 内核里的数据结构——位数组

Linux 内核中的位数组和位操作 除了不同的基于链式和树的数据结构以外,Linux 内核也为位数组(或称为位图bitmap)提供了 API.位数组在 Linux 内核里被广泛使用,并且在以下的源代码文件中包含了与这样的结构搭配使用的通用 API: lib/bitmap.c include/linux/bitmap.h 除了这两个文件之外,还有体系结构特定的头文件,它们为特定的体系结构提供优化的位操作.我们将探讨x86_64 体系结构,因此在我们的例子里,它会是 arch/x86/include

Linux 内核里的数据结构——基数树

Linux 内核里的数据结构--基数树 正如你所知道的,Linux内核提供了许多不同的库和函数,它们实现了不同的数据结构和算法.在这部分,我们将研究其中一种数据结构--基数树Radix tree.在 Linux 内核中,有两个文件与基数树的实现和API相关: include/linux/radix-tree.h lib/radix-tree.c 让我们先说说什么是 基数树 吧.基数树是一种 压缩的字典树compressed trie ,而字典树是实现了关联数组接口并允许以键值对 方式存储值的一种