Linux设备驱动程序学习（3-补） -Linux中的循环缓冲区

参考资料：《Linux内核中的循环缓冲区》作者：西邮 王聪 严重感谢文章作者！ 但是（可能是源码版本问题）有些结论并不正确： “而kfifo_init只会接受一个已分配好空间的fifo->buffer，不能和kfifo_free搭配，用kfifo_init分配的kfifo只能用kfree释放。” 阅读源码可以得出这样的结论：kfifo_init和kfifo_alloc分配的kfifo都能用kfree释放。已经用实验证实。
原文链接地址： http://www.kerneltravel.net/jiaoliu/kern-kfifo.html

在学习到第十章 中断处理 时，其中的中断驱动的I/O需要使用缓冲区，我觉得与其自己实现一个缓冲区，不如利用内核已经写好的fifo。内核里有一个通用的循环缓冲区的实现在 <linux/kfifo.h>。
使用的数据结构如下：

struct kfifo {
unsigned char *buffer; /* 使用的缓冲区头指针 */
unsigned int size; /* 缓冲区总大小 */
unsigned int in; /* 已写入缓冲区的数据总量，当前缓冲区写指针的偏移量：(in % size) */
unsigned int out; /* 已读出缓冲区的数据总量，当前缓冲区读指针的偏移量：(out % size) */
spinlock_t *lock; /* 为避免竞态的自旋锁 */
};/*当in==out时，缓冲区为空；当(in-out)==size时，缓冲区已满*/

kfifo提供的循环缓冲的部分函数分为2类：
（1）以双下划线开头，没有使用自旋锁函数；
（2）没有双下划线开头，需要额外加锁的情况下使用的函数。
其实第二类只是在第一类的基础上进行加锁后，实际的代码如下：

unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
/*第一类函数*/
spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);

以下我按使用的顺序介绍每个函数的使用，部分函数源码在kernel/kfifo.c中定义，这些接口是经过精心构造的，可以小心地避免一些边界情况，原理其实很简单，建议去看源码弄清楚实现的原理，可以学到一些编程技巧。
（0）声明循环缓冲数据结构指针

struct kfifo *tekkamanfifo;

（1）初始化循环缓冲结构体

struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock);
/*调用kfifo_init必须保证size是2的整数次幂，而且buffer只接受一个已分配好空间的指针。也就是说之前要使用kmalloc分配好空间，将返回的指针传递到buffer*/
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
spinlock_t *lock);
/*调用kfifo_alloc不必保证size是2的幂，它内部会把size向上调整到2的整数次幂。空间分配的内部实现使用kmalloc。函数内部调用kfifo_init/

buffer：之前要使用kmalloc分配好的空间指针；
size：循环缓冲空间大小；
gfp_mask：和kmalloc使用的分配标志（flags）一样。（参阅Linux设备驱动程序学习（8）-分配内存）
lock：是事先声明并初始化好的自旋锁结构体指针；
返回值 为初始化好的循环缓冲数据结构指针 。
（2） 向缓冲区里写入数据

unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len);
unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len);

fifo：要写入数据的缓冲区结构体指针；
buffer：要写入的数据指针，指向内核空间。如需要用户空间数据，之前要用copy_from_user复制数据到内核空间；
len：要写入的数据大小；
返回值 为写入缓冲区的数据字节数。
（3）从缓冲区里读出数据

unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len);
unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len);

参数定义和kfifo_put类似。
返回值 为从缓冲区读出的数据字节数。
（4）得到缓冲区已有的数据字节数

unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo);
unsigned int __kfifo_len(struct kfifo *fifo);

fifo：要操作的缓冲区结构体指针；
函数返回缓冲区实际已有的数据字节数，内部实现十分简单，就是in - out；
返回值 为缓冲区已有的数据字节数。
（5）清空缓冲区

void __kfifo_reset(struct kfifo *fifo);
void kfifo_reset(struct kfifo *fifo);

内部实现十分简单，就是in = out = 0。
（6）使用结束，释放缓冲区。

void kfifo_free(struct kfifo *fifo);

所有的kfifo提供的循环缓冲的函数就是这些。在理解内部实现原理的基础上才能更好的使用它，所以再次建议阅读源码，因为源码很简单，但是很精巧。

ARM9开发板实验
实验模块源码：scull-kfifo
测试程序源码：scull-kfifo-test
实验现象：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull_kfifo.ko
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2 pty
3 ttyp
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
7 vcs
10 misc
13 input
14 sound
81 video4linux
89 i2c
90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
153 spi
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 scull_kfifo
253 usb_endpoint
254 rtc
Block devices:
1 ramdisk
256 rfd
7 loop
31 mtdblock
93 nftl
96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 /dev/scull_kfifo c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo
"sh" did write 11 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=11
please input the command :2
scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=0
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo

"sh" did write 31 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo

"sh" did write 31 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo

"sh" did write 2 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
printk: 204310 messages suppressed.
"sh" did write 0 bytes
1234567890
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=64
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /dev/scull_kfifo
printk: 1493677 messages suppressed.
"cat" did read 64 bytes
1234"cat" reading: going to sleep
56789012345678901234567890
123456789012345678901234567890
12
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :2
scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull_kfifo
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod
Module Size Used by Not tainted
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#