内核数据结构-----队列kfifo.h (4.0.8)较新的内核版本
2015-09-21 21:32
417 查看
现在市面上能买到的书大多都是2.6.X内核的,可是现在内核都出到4.2了其中也是发生了翻天覆地的变化,我学习开始内核就想从内核数据结构看起,看以前旧代码真心没什么意思,不如开拓下荒地。
队列这个东西其实以前也接触过,也写过一版通用的代码,其实一般的代码都是OK 的,但是最近开始我的内核之旅了,我还是想看看内核是如何实现队列的,从上次分析list.h 看来,内核的数据结构还是非常复杂的,复杂的看不懂,看懂了不会用,。。。。
任何操作系统都是离不开编程模型的,其中,生产者与消费者模型是很常见的,也和我们今天分析的队列结构很有关系。其实使用队列来实现这个编程模型时最简单的一种实现方式了,所以我们就来分析分析它。
为了提高英语水平以及为后续参加开源活动我都会翻译源码注释
我用的是4.0.8 的内核,它与之前2.6.* 版本的内核已经有了很大的区别。
修改结构体的定义,改成需要的结构体。
使用kfifo_alloc( ) 或者 kfifo_init( ) 函数初始化已经定义的对象,注意:结构体的私之必须经过函数的确定.
修改kfifo_put 为kfifo_in_spinlocked kfifo_get为 kfifo_out_spinlocked (spinlocked : 自旋锁)
__kfifo_ * 被修改为 kfifo_ *
关于锁的注意:这里没有锁的要求,除非有一个读取的动作的同时还有一个写的动作在使用队列,并且没有调用kfifo_reset( ) 函数,这时候使用kfifo_reset_out ( )函数就是安全的,这个函数一般在读动作的线程中调用。
对于多个写动作和一个读动作,只需要锁住写动作,反过来,只有一个写动作且有多个读动作,只需要锁住读动作。(真体现了内核数据结构链表的设计精巧)
内核的队列结构和我们平时用的队列不是很相同,首先看下结构体:
这就是队列的部分结构体,它的入队出队是根据偏移量来决定的。
@in:入队偏移量
@out :出队偏移量
@mask: 表示队列的总大小(静态分配时,队列的固定总长度)
@eszie: 数据域大小
@data:数据域指针
下面的是以前的结构体不得不说内核的改变还是很大的
真是区别很大。
上边基本上是关于新旧内核的区别,现在开始正式分析代码:
首先看kfifo 结构体。
这里有两个结构体声明,一个是动态分配结构体,一个是静态分配结构体。但是这两个结构体的定义都是用宏实现的也算是殊途同归吧。
先看动态的:
@recsize: 队列长度
@ptrtype: 结构体指针类型
@buf[0] 中存储的就是一个队列的元素
下面分析其中的宏
这是一个联合结构体
@datatype :数据元素类型
@recsize: 队列长度
@ptrtypr : 指针类型
这个联合结构体包含了这个队列元素的一切信息,它的类型,偏移量,指针类型等信息;
现在在来看看静态分配的队列:
静态分配也是有宏来实现的。
@fifo : 声明队列的对象;
@type:队列元素类型;
@size:队列的元素个数,其中个数必须是2的幂;
下面来看看初始化:
首先看一下初始化的函数,这是一个宏定义函数:
@fifo:已经定义的队列结构名称;
@type:元素类型名称;
@size:队列中元素个数,必须是2 的幂;
Note:这个宏可以适用与全局的以及本地的队列数据类型;
返回队列可以管理的队列的长度;
返回记录长度字段大小;
这个宏用来确定_kfifo 是这个结构体的一部分并且确定传进来的类型是外部的宿主类型。
返回队列中可以存放元素的长度;
队列是否为空;
队列是否已经满了;
返回队列中没有被使用的元素个数。
@fifo:指向队列的指针
@size:队列中元素的个数
@标记,使用系统调用动态分配空间;
@fifo:将要被使用的队列的地址
@val:需要被加入的数据
这个宏将这个数据的一份拷贝加入队列,如果返回0,那么这个队列已经满了,否则它返回处理的元素所在位置;
注意:如果只有一个并行的读者(进程)和一个并行的(写者)进程,你不需要确定这个队列已经被锁,直接可以使用。
这一有一个smp_wmb ( ) 者是CPU的写内存屏障。这里写应当,必须是一个原子操作;
从队列中获取一个元素;
入队操作;
队列这个东西其实以前也接触过,也写过一版通用的代码,其实一般的代码都是OK 的,但是最近开始我的内核之旅了,我还是想看看内核是如何实现队列的,从上次分析list.h 看来,内核的数据结构还是非常复杂的,复杂的看不懂,看懂了不会用,。。。。
任何操作系统都是离不开编程模型的,其中,生产者与消费者模型是很常见的,也和我们今天分析的队列结构很有关系。其实使用队列来实现这个编程模型时最简单的一种实现方式了,所以我们就来分析分析它。
为了提高英语水平以及为后续参加开源活动我都会翻译源码注释
我用的是4.0.8 的内核,它与之前2.6.* 版本的内核已经有了很大的区别。
/* * How to porting drivers to the new generic FIFO API: * * - Modify the declaration of the "struct kfifo *" object into a * in-place "struct kfifo" object * - Init the in-place object with kfifo_alloc() or kfifo_init() * Note: The address of the in-place "struct kfifo" object must be * passed as the first argument to this functions * - Replace the use of __kfifo_put into kfifo_in and __kfifo_get * into kfifo_out * - Replace the use of kfifo_put into kfifo_in_spinlocked and kfifo_get * into kfifo_out_spinlocked * Note: the spinlock pointer formerly passed to kfifo_init/kfifo_alloc * must be passed now to the kfifo_in_spinlocked and kfifo_out_spinlocked * as the last parameter * - The formerly __kfifo_* functions are renamed into kfifo_* */如何将队列移植到一个新的驱动中:
修改结构体的定义,改成需要的结构体。
使用kfifo_alloc( ) 或者 kfifo_init( ) 函数初始化已经定义的对象,注意:结构体的私之必须经过函数的确定.
修改kfifo_put 为kfifo_in_spinlocked kfifo_get为 kfifo_out_spinlocked (spinlocked : 自旋锁)
__kfifo_ * 被修改为 kfifo_ *
/* * Note about locking : There is no locking required until only * one reader * and one writer is using the fifo and no kfifo_reset() will be * called * kfifo_reset_out() can be safely used, until it will be only called * in the reader thread. * For multiple writer and one reader there is only a need to lock the writer. * And vice versa for only one writer and multiple reader there is only a need * to lock the reader. */
关于锁的注意:这里没有锁的要求,除非有一个读取的动作的同时还有一个写的动作在使用队列,并且没有调用kfifo_reset( ) 函数,这时候使用kfifo_reset_out ( )函数就是安全的,这个函数一般在读动作的线程中调用。
对于多个写动作和一个读动作,只需要锁住写动作,反过来,只有一个写动作且有多个读动作,只需要锁住读动作。(真体现了内核数据结构链表的设计精巧)
内核的队列结构和我们平时用的队列不是很相同,首先看下结构体:
struct __kfifo { unsigned int in; unsigned int out; unsigned int mask; unsigned int esize; void *data; };
这就是队列的部分结构体,它的入队出队是根据偏移量来决定的。
@in:入队偏移量
@out :出队偏移量
@mask: 表示队列的总大小(静态分配时,队列的固定总长度)
@eszie: 数据域大小
@data:数据域指针
下面的是以前的结构体不得不说内核的改变还是很大的
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 */ };
真是区别很大。
上边基本上是关于新旧内核的区别,现在开始正式分析代码:
首先看kfifo 结构体。
这里有两个结构体声明,一个是动态分配结构体,一个是静态分配结构体。但是这两个结构体的定义都是用宏实现的也算是殊途同归吧。
先看动态的:
/* * define compatibility "struct kfifo" for dynamic allocated fifos */ struct kfifo __STRUCT_KFIFO_PTR(unsigned char, 0, void);这是动态分配结构体
#define __STRUCT_KFIFO_PTR(type, recsize, ptrtype) \ { \ __STRUCT_KFIFO_COMMON(type, recsize, ptrtype); \ type buf[0]; \ }@type : 元素类型;
@recsize: 队列长度
@ptrtype: 结构体指针类型
@buf[0] 中存储的就是一个队列的元素
下面分析其中的宏
#define __STRUCT_KFIFO_COMMON(datatype, recsize, ptrtype) \ union { \ struct __kfifo kfifo; \ datatype *type; \ const datatype *const_type; \ char (*rectype)[recsize]; \ ptrtype *ptr; \ ptrtype const *ptr_const; \ }
这是一个联合结构体
@datatype :数据元素类型
@recsize: 队列长度
@ptrtypr : 指针类型
这个联合结构体包含了这个队列元素的一切信息,它的类型,偏移量,指针类型等信息;
现在在来看看静态分配的队列:
/** * DECLARE_KFIFO - macro to declare a fifo object * @fifo: name of the declared fifo * @type: type of the fifo elements * @size: the number of elements in the fifo, this must be a power of 2 */ #define DECLARE_KFIFO(fifo, type, size) STRUCT_KFIFO(type, size) fifo
静态分配也是有宏来实现的。
@fifo : 声明队列的对象;
@type:队列元素类型;
@size:队列的元素个数,其中个数必须是2的幂;
/** * DECLARE_KFIFO_PTR - macro to declare a fifo pointer object * @fifo: name of the declared fifo * @type: type of the fifo elements */ #define DECLARE_KFIFO_PTR(fifo, type) STRUCT_KFIFO_PTR(type) fifo同上,也是静态的但是只是定义一个指针。
#define STRUCT_KFIFO(type, size) \ struct __STRUCT_KFIFO(type, size, 0, type)
#define __STRUCT_KFIFO(type, size, recsize, ptrtype) \ { \ __STRUCT_KFIFO_COMMON(type, recsize, ptrtype); \ type buf[((size < 2) || (size & (size - 1))) ? -1 : size]; \ }与是调用两个宏,同时定义了buf 队列的空间。并且调用了__STRUCT_KFIFO_COMMON(type, recsize, ptrtype); 初始化了详细的队列信息;
下面来看看初始化:
首先看一下初始化的函数,这是一个宏定义函数:
/** * INIT_KFIFO - Initialize a fifo declared by DECLARE_KFIFO * @fifo: name of the declared fifo datatype */
#define INIT_KFIFO(fifo) \ (void)({ \ typeof(&(fifo)) __tmp = &(fifo); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ __kfifo->in = 0; \ __kfifo->out = 0; \ __kfifo->mask = __is_kfifo_ptr(__tmp) ? 0 : ARRAY_SIZE(__tmp->buf) - 1;\ __kfifo->esize = sizeof(*__tmp->buf); \ __kfifo->data = __is_kfifo_ptr(__tmp) ? NULL : __tmp->buf; \ })这个宏将队列的信息初始化,这个初始化是针对静态定义的队列使用的;
/** * DEFINE_KFIFO - macro to define and initialize a fifo * @fifo: name of the declared fifo datatype * @type: type of the fifo elements * @size: the number of elements in the fifo, this must be a power of 2 * * Note: the macro can be used for global and local fifo data type variables. */ #define DEFINE_KFIFO(fifo, type, size) \ DECLARE_KFIFO(fifo, type, size) = \ (typeof(fifo)) { \ { \ { \ .in = 0, \ .out = 0, \ .mask = __is_kfifo_ptr(&(fifo)) ? \ 0 : \ ARRAY_SIZE((fifo).buf) - 1, \ .esize = sizeof(*(fifo).buf), \ .data = __is_kfifo_ptr(&(fifo)) ? \ NULL : \ (fifo).buf, \ } \ } \ }这个定义是比较通用的一种定义和初始化方式。参数:
@fifo:已经定义的队列结构名称;
@type:元素类型名称;
@size:队列中元素个数,必须是2 的幂;
Note:这个宏可以适用与全局的以及本地的队列数据类型;
/** * kfifo_initialized - Check if the fifo is initialized * @fifo: address of the fifo to check * * Return %true if fifo is initialized, otherwise %false. * Assumes the fifo was 0 before. */ #define kfifo_initialized(fifo) ((fifo)->kfifo.mask)检查队列是否被初始化过,假设0是未被初始化;
/** * kfifo_esize - returns the size of the element managed by the fifo * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_esize(fifo) ((fifo)->kfifo.esize)
返回队列可以管理的队列的长度;
/** * kfifo_recsize - returns the size of the record length field * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_recsize(fifo) (sizeof(*(fifo)->rectype))
返回记录长度字段大小;
/* * helper macro to distinguish between real in place fifo where the fifo * array is a part of the structure and the fifo type where the array is * outside of the fifo structure. */ #define __is_kfifo_ptr(fifo) (sizeof(*fifo) == sizeof(struct __kfifo))
这个宏用来确定_kfifo 是这个结构体的一部分并且确定传进来的类型是外部的宿主类型。
/** * kfifo_size - returns the size of the fifo in elements * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_size(fifo) ((fifo)->kfifo.mask + 1)
返回队列中可以存放元素的长度;
/** * kfifo_reset - removes the entire fifo content * @fifo: address of the fifo to be used * * Note: usage of kfifo_reset() is dangerous. It should be only called when the * fifo is exclusived locked or when it is secured that no other thread is * accessing the fifo. */ #define kfifo_reset(fifo) \ (void)({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ __tmp->kfifo.in = __tmp->kfifo.out = 0; \ })
/** * kfifo_reset_out - skip fifo content * @fifo: address of the fifo to be used * * Note: The usage of kfifo_reset_out() is safe until it will be only called * from the reader thread and there is only one concurrent reader. Otherwise * it is dangerous and must be handled in the same way as kfifo_reset(). */ #define kfifo_reset_out(fifo) \ (void)({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ __tmp->kfifo.out = __tmp->kfifo.in; \ })
/** * kfifo_len - returns the number of used elements in the fifo * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_len(fifo) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmpl = (fifo); \ __tmpl->kfifo.in - __tmpl->kfifo.out; \ })返回队列中已经存在的(已经在队列中的元素)个数;
/** * kfifo_is_empty - returns true if the fifo is empty * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_is_empty(fifo) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmpq = (fifo); \ __tmpq->kfifo.in == __tmpq->kfifo.out; \ }) /**
队列是否为空;
/** * kfifo_is_full - returns true if the fifo is full * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_is_full(fifo) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmpq = (fifo); \ kfifo_len(__tmpq) > __tmpq->kfifo.mask; \ })
队列是否已经满了;
/** * kfifo_avail - returns the number of unused elements in the fifo * @fifo: address of the fifo to be used */ #define kfifo_avail(fifo) \ __kfifo_uint_must_check_helper( \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmpq = (fifo); \ const size_t __recsize = sizeof(*__tmpq->rectype); \ unsigned int __avail = kfifo_size(__tmpq) - kfifo_len(__tmpq); \ (__recsize) ? ((__avail <= __recsize) ? 0 : \ __kfifo_max_r(__avail - __recsize, __recsize)) : \ __avail; \ }) \ )
返回队列中没有被使用的元素个数。
/** * kfifo_alloc - dynamically allocates a new fifo buffer * @fifo: pointer to the fifo * @size: the number of elements in the fifo, this must be a power of 2 * @gfp_mask: get_free_pages mask, passed to kmalloc() * * This macro dynamically allocates a new fifo buffer. * * The numer of elements will be rounded-up to a power of 2. * The fifo will be release with kfifo_free(). * Return 0 if no error, otherwise an error code. */ #define kfifo_alloc(fifo, size, gfp_mask) \ __kfifo_int_must_check_helper( \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ __is_kfifo_ptr(__tmp) ? \ __kfifo_alloc(__kfifo, size, sizeof(*__tmp->type), gfp_mask) : \ -EINVAL; \ }) \ )队列动态分配一片新的空间,旧的空间会被释放。
@fifo:指向队列的指针
@size:队列中元素的个数
@标记,使用系统调用动态分配空间;
/** * kfifo_free - frees the fifo * @fifo: the fifo to be freed */ #define kfifo_free(fifo) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ if (__is_kfifo_ptr(__tmp)) \ __kfifo_free(__kfifo); \ })释放这个队列;
/** * kfifo_init - initialize a fifo using a preallocated buffer * @fifo: the fifo to assign the buffer * @buffer: the preallocated buffer to be used * @size: the size of the internal buffer, this have to be a power of 2 * * This macro initialize a fifo using a preallocated buffer. * * The numer of elements will be rounded-up to a power of 2. * Return 0 if no error, otherwise an error code. */ #define kfifo_init(fifo, buffer, size) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ __is_kfifo_ptr(__tmp) ? \ __kfifo_init(__kfifo, buffer, size, sizeof(*__tmp->type)) : \ -EINVAL; \ })初始化一个队列,使用预先分配的一片空间;
/** * kfifo_put - put data into the fifo * @fifo: address of the fifo to be used * @val: the data to be added * * This macro copies the given value into the fifo. * It returns 0 if the fifo was full. Otherwise it returns the number * processed elements. * * Note that with only one concurrent reader and one concurrent * writer, you don't need extra locking to use these macro. */ #define kfifo_put(fifo, val) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ typeof(*__tmp->const_type) __val = (val); \ unsigned int __ret; \ size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ if (__recsize) \ __ret = __kfifo_in_r(__kfifo, &__val, sizeof(__val), \ __recsize); \ else { \ __ret = !kfifo_is_full(__tmp); \ if (__ret) { \ (__is_kfifo_ptr(__tmp) ? \ ((typeof(__tmp->type))__kfifo->data) : \ (__tmp->buf) \ )[__kfifo->in & __tmp->kfifo.mask] = \ 此处的这个与操作可以确定入队的位置。 (typeof(*__tmp->type))__val; \ smp_wmb(); \ __kfifo->in++; \ } \ } \ __ret; \ })将一个数据入队列;
@fifo:将要被使用的队列的地址
@val:需要被加入的数据
这个宏将这个数据的一份拷贝加入队列,如果返回0,那么这个队列已经满了,否则它返回处理的元素所在位置;
注意:如果只有一个并行的读者(进程)和一个并行的(写者)进程,你不需要确定这个队列已经被锁,直接可以使用。
这一有一个smp_wmb ( ) 者是CPU的写内存屏障。这里写应当,必须是一个原子操作;
/** * kfifo_get - get data from the fifo * @fifo: address of the fifo to be used * @val: address where to store the data * * This macro reads the data from the fifo. * It returns 0 if the fifo was empty. Otherwise it returns the number * processed elements. * * Note that with only one concurrent reader and one concurrent * writer, you don't need extra locking to use these macro. */ #define kfifo_get(fifo, val) \ __kfifo_uint_must_check_helper( \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ typeof(__tmp->ptr) __val = (val); \ unsigned int __ret; \ const size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ if (__recsize) \ __ret = __kfifo_out_r(__kfifo, __val, sizeof(*__val), \ __recsize); \ else { \ __ret = !kfifo_is_empty(__tmp); \ if (__ret) { \ *(typeof(__tmp->type))__val = \ (__is_kfifo_ptr(__tmp) ? \ ((typeof(__tmp->type))__kfifo->data) : \ (__tmp->buf) \ )[__kfifo->out & __tmp->kfifo.mask]; \ smp_wmb(); \ __kfifo->out++; \ } \ } \ __ret; \ }) \ )
从队列中获取一个元素;
/** * kfifo_in - put data into the fifo * @fifo: address of the fifo to be used * @buf: the data to be added * @n: number of elements to be added * * This macro copies the given buffer into the fifo and returns the * number of copied elements. * * Note that with only one concurrent reader and one concurrent * writer, you don't need extra locking to use these macro. */ #define kfifo_in(fifo, buf, n) \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ typeof(__tmp->ptr_const) __buf = (buf); \ unsigned long __n = (n); \ const size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ (__recsize) ?\ __kfifo_in_r(__kfifo, __buf, __n, __recsize) : \ __kfifo_in(__kfifo, __buf, __n); \ })
入队操作;
/** * kfifo_out - get data from the fifo * @fifo: address of the fifo to be used * @buf: pointer to the storage buffer * @n: max. number of elements to get * * This macro get some data from the fifo and return the numbers of elements * copied. * * Note that with only one concurrent reader and one concurrent * writer, you don't need extra locking to use these macro. */ #define kfifo_out(fifo, buf, n) \ __kfifo_uint_must_check_helper( \ ({ \ typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); \ typeof(__tmp->ptr) __buf = (buf); \ unsigned long __n = (n); \ const size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); \ struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; \ (__recsize) ?\ __kfifo_out_r(__kfifo, __buf, __n, __recsize) : \ __kfifo_out(__kfifo, __buf, __n); \ }) \ )出队操作;
/** * kfifo_in_spinlocked - put data into the fifo using a spinlock for locking * @fifo: address of the fifo to be used * @buf: the data to be added * @n: number of elements to be added * @lock: pointer to the spinlock to use for locking * * This macro copies the given values buffer into the fifo and returns the * number of copied elements. */ #define kfifo_in_spinlocked(fifo, buf, n, lock) \ ({ \ unsigned long __flags; \ unsigned int __ret; \ spin_lock_irqsave(lock, __flags); \ __ret = kfifo_in(fifo, buf, n); \ spin_unlock_irqrestore(lock, __flags); \ __ret; \ })入队一个操作,使用自旋锁上锁,加入队列后解开自旋锁;
相关文章推荐
- 并发队列ConcurrentLinkedQueue和阻塞队列LinkedBlockingQueue用法 在Java多线程应用中,队列的使用率很高,多数生产消费模型的首选数据结构就是队列(先进先出)。
- 数据结构学习:利用链表建立二叉树
- redis数据结构介绍
- UI课程15 XML、JSON数据结构解析
- 研磨数据结构与算法-14红黑树
- 【链表项目1 - 建立单链表】
- *第四周*数据结构实践项目一【创建单链表】
- 数据结构之数组定义及基本操作
- 研磨数据结构与算法-13删除二叉树节点
- 第3周SHH数据结构—【项目3 - 求集合并集】
- 项目3 -- 单链表的应用(1)
- 数据结构实践——建立单链表
- 数据结构【线性表(二)链表】项目一--建立单链表
- 顺序表:两集合的交集
- 第3周SHH数据结构—【项目2 - 建设“顺序表”算法库】
- 第4周 项目2 建设“单链表”的算法库
- 数据结构实践——集合合并
- 第3周 项目2——数据结构之自建算法库——顺序表(程序的多文件组织形式)
- 算法导论第一章,第二章笔记
- 第四周 线性表(二)--链表 项目一 -- 建立单链表