• Linux eventfd分析


    2017-07-20


    eventfd在linux中是一个较新的进程通信方式,和信号量等不同的是event不仅可以用于进程间的通信,还可以用户内核发信号给用户层的进程。eventfd在virtIO后端驱动vHost的实现中作为vhost和KVM交互的媒介,起到了重大作用。本节结合linux源码就eventfd的具体实现坐下简要分析。

    eventfd在用户层下有函数

     #include <sys/eventfd.h>

     int eventfd(unsigned int initval, int flags);

     该函数返回一个文件描述符,类似于其他的文件描述符操作,可以对该描述符进行一系列的操作,如读、写、poll、select等,当然这里我们仅仅考虑read、write。看下该函数的内核实现

    SYSCALL_DEFINE2(eventfd2, unsigned int, count, int, flags)
    {
        int fd, error;
        struct file *file;
        error = get_unused_fd_flags(flags & EFD_SHARED_FCNTL_FLAGS);
        if (error < 0)
            return error;
        fd = error;
        file = eventfd_file_create(count, flags);
        if (IS_ERR(file)) {
            error = PTR_ERR(file);
            goto err_put_unused_fd;
        }
        fd_install(fd, file);
        return fd;
    err_put_unused_fd:
        put_unused_fd(fd);
        return error;
    }

     代码本身很是简单,首先 获取一个空闲的文件描述符,这个和普通的文件描述符没有区别。然后调用eventfd_file_create创建了一个file结构。该函数中有针对eventfd的一系列操作,看下该函数

    struct file *eventfd_file_create(unsigned int count, int flags)
    {
        struct file *file;
        struct eventfd_ctx *ctx;
    
        /* Check the EFD_* constants for consistency.  */
        BUILD_BUG_ON(EFD_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
        BUILD_BUG_ON(EFD_NONBLOCK != O_NONBLOCK);
    
        if (flags & ~EFD_FLAGS_SET)
            return ERR_PTR(-EINVAL);
    
        ctx = kmalloc(sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
        if (!ctx)
            return ERR_PTR(-ENOMEM);
    
        kref_init(&ctx->kref);
        init_waitqueue_head(&ctx->wqh);
        ctx->count = count;
        ctx->flags = flags;
    
        file = anon_inode_getfile("[eventfd]", &eventfd_fops, ctx,
                      O_RDWR | (flags & EFD_SHARED_FCNTL_FLAGS));
        if (IS_ERR(file))
            eventfd_free_ctx(ctx);
    
        return file;
    }

     这里说明下,每个eventfd在内核对应一个eventfd_ctx结构,该结构后面咱们再细讲,函数中首先给该结构分配 了内存然后做初始化,注意有个等待队列和count,等待队列就是当进程需要阻塞的时候挂在对应evnetfd的等待队列上,而count就是read、write操作的值。接着就调用anon_inode_getfile获取一个file对象,具体也没什么好说的,只是注意这里把刚才分配好的eventfd_ctx作为file结构的私有成员即private_data,并且关联了eventfd自身的操作函数表eventfd_fops, 里面实现的函数不多,如下

    static const struct file_operations eventfd_fops = {
    #ifdef CONFIG_PROC_FS
        .show_fdinfo    = eventfd_show_fdinfo,
    #endif
        .release    = eventfd_release,
        .poll        = eventfd_poll,
        .read        = eventfd_read,
        .write        = eventfd_write,
        .llseek        = noop_llseek,
    };

     我们重点看read和write函数。当用户空间对eventfd文件描述符发起read操作时,最终要调用到上面函数表中的eventfd_read函数,

    static ssize_t eventfd_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
                    loff_t *ppos)
    {
        struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
        ssize_t res;
        __u64 cnt;
        if (count < sizeof(cnt))
            return -EINVAL;
        res = eventfd_ctx_read(ctx, file->f_flags & O_NONBLOCK, &cnt);
        if (res < 0)
            return res;
        return put_user(cnt, (__u64 __user *) buf) ? -EFAULT : sizeof(cnt);
    }

    首先从private_data获取eventfd_ctx,然后判断请求读取的大小是否满足条件,这里count是64位即8个字节,所以最小读取8个字节,如果不足则错误。没问题就调用eventfd_ctx_read,该函数实际返回eventfd_ctx中的count计数,并清零,如果读取有问题则返回,否则把值写入到用户空间。前面eventfd_ctx_read是读取的核心,什么时候会返回小于0的值呢,我们看下该函数的实现

    ssize_t eventfd_ctx_read(struct eventfd_ctx *ctx, int no_wait, __u64 *cnt)
    {
        ssize_t res;
        DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
    
        spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
        *cnt = 0;
        res = -EAGAIN;
        if (ctx->count > 0)
            res = 0;
        else if (!no_wait) {
            /*add to wait queue*/
            __add_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);
            for (;;) {
                /*设置阻塞状态*/
                set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
                /*如果信号变为有状态。则break*/
                if (ctx->count > 0) {
                    res = 0;
                    break;
                }
                /*如果有未处理的信号,也break,进行处理*/
                if (signal_pending(current)) {
                    res = -ERESTARTSYS;
                    break;
                }
                /*否则触发调度器执行调度*/
                spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
                schedule();
                spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
            }
            /*remove from the wait queue*/
            __remove_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);
            /*set processs state*/
            __set_current_state(TASK_RUNNING);
        }
        if (likely(res == 0)) {
            /*read fdcount again*/
            eventfd_ctx_do_read(ctx, cnt);
            /**/
            if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
                wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLOUT);
        }
        spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
    
        return res;
    }

     该函数比较长,我们慢慢分析,首先操作eventfd_ctx要加锁保证安全。起初res初始化为-EAGAIN,如果count计数大于0,那么对res置0,否则意味着count=0(count不会小于0),这种情况下看传递进来的参数标志,如果设置了O_NONBLOCK,则就不需等待,直接返回res.这正是前面说的返回值小于0的情况。如果没有指定O_NONBLOCK标志,此时由于读取不到count值(count值为0),就会在这里阻塞。具体把当前进程加入到eventfd_ctx的等待队列,这里有必要说下DECLARE_WAITQUEUE(wait, current),该宏声明并初始化一个wait_queue_t对象,其关联的函数为default_wake_function,是作为唤醒函数存在。OK,接下上面,加入到队列后进入一个死循环,设置当前进程状态为TASK_INTERRUPTIBLE,并不断检查count值,如果count大于0了,意味着有信号了,就设置res=0,然后break,然后把进程从等待队列去掉,然后设置状态TASK_RUNNING。如果count值为0,则检查是否有挂起的信号,如果有信号,同样需要先对信号进行处理,不过这就以为这read失败了。都么有的话就正常阻塞,调用调度器进行调度。break之后,如果res==0,对count值进行读取,这里对应上面循环中判断count值大于0的情况。具体读取通过eventfd_ctx_do_read函数,该函数很简单

    static void eventfd_ctx_do_read(struct eventfd_ctx *ctx, __u64 *cnt)
    {
        *cnt = (ctx->flags & EFD_SEMAPHORE) ? 1 : ctx->count;
        ctx->count -= *cnt;
    }

     如果没有指定EFD_SEMAPHORE标志就返回count值,该标志是指定eventfd像信号量一样使用,不过在2.6之后的内核都设置为0了。然后对count做减法,实际上减去之后就为0了。在读取值之后count值就变小了,之前如果有在该eventfd上阻塞的write进程,现在就可以唤醒了,所以这里检查了下,如果等待队列还有进程,则调用wake_up_locked_poll对对应的进程进行唤醒。

    用户空间的write操作最终要调用到eventfd_write,不过该函数的实现和上面read操作类似,这里就不重复,感兴趣可以自行分析源码。前面说内核也可以主动的对eventfd发送信号,这里就是通过eventfd_signal函数实现

    __u64 eventfd_signal(struct eventfd_ctx *ctx, __u64 n)
    {
        unsigned long flags;
    
        spin_lock_irqsave(&ctx->wqh.lock, flags);
        if (ULLONG_MAX - ctx->count < n)
            n = ULLONG_MAX - ctx->count;
        ctx->count += n;
        /*mainly judge if wait is empty*/
        if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
            wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLIN);
        spin_unlock_irqrestore(&ctx->wqh.lock, flags);
    
        return n;
    }

     该函数和write函数类似,不过不会阻塞,如果指定的n太大导致count加上之后超过ULLONG_MAX,就去n为当前count和ULLONG_MAX的差值,即不会让count溢出。然后如果等待队列有等待的进程,则对其进程唤醒,当然唤醒的应该是需要读操作的进程。

    到这里对于eventfd的介绍基本就完成了,总的来说很简单的一个东西,不过经过上面分析不难发现,eventfd应该归结于低级通信行列,即不适用于传递大量数据,仅仅用于通知或者同步操作,还要注意的是,该文件描述符并不对应固定的磁盘文件,故类似于无名管道,这里也仅仅用于有亲缘关系之间的进程通信!。

    关于eventfd的使用方法,参考手册:https://linux.die.net/man/2/eventfd

    以马内利

    参考资料:

    linux内核3.10.1源码

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