• Linux内核结构体--kfifo 环状缓冲区


    转载链接:http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/41985907

    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

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    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. };  


    kfifo提供的方法有:

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    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:

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    1. struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,  
    2.              gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)  
    3. {  
    4.     struct kfifo *fifo;  
    5.     /* size must be a power of 2 */  
    6.     BUG_ON(!is_power_of_2(size));  
    7.     fifo = kmalloc(sizeof(struct kfifo), gfp_mask);  
    8.     if (!fifo)  
    9.         return ERR_PTR(-ENOMEM);  
    10.     fifo->buffer = buffer;  
    11.     fifo->size = size;  
    12.     fifo->in = fifo->out = 0;  
    13.     fifo->lock = lock;  
    14.   
    15.     return fifo;  
    16. }  
    17. struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)  
    18. {  
    19.     unsigned char *buffer;  
    20.     struct kfifo *ret;  
    21.     if (!is_power_of_2(size)) {  
    22.         BUG_ON(size > 0x80000000);  
    23.         size = roundup_pow_of_two(size);  
    24.     }  
    25.     buffer = kmalloc(size, gfp_mask);  
    26.     if (!buffer)  
    27.         return ERR_PTR(-ENOMEM);  
    28.     ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);  
    29.   
    30.     if (IS_ERR(ret))  
    31.         kfree(buffer);  
    32.     return ret;  
    33. }  


     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:

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    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);  
    33.     /* 
    34.      * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we 
    35.      * start putting bytes into the kfifo. 
    36.      */  
    37.     smp_mb();  
    38.     /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */  
    39.     l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));  
    40.     memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);  
    41.     /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */  
    42.     memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);  
    43.   
    44.     /* 
    45.      * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before- 
    46.      * we update the fifo->in index. 
    47.      */  
    48.     smp_wmb();  
    49.     fifo->in += len;  //每次累加,到达最大值后溢出,自动转为0  
    50.     return len;  
    51. }  
    52.   
    53. unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,  
    54.              unsigned char *buffer, unsigned int len)  
    55. {  
    56.     unsigned int l;  
    57.         //有数据的缓冲区的长度  
    58.     len = min(len, fifo->in - fifo->out);  
    59.     /* 
    60.      * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we 
    61.      * start removing bytes from the kfifo. 
    62.      */  
    63.     smp_rmb();  
    64.     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */  
    65.     l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));  
    66.     memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);  
    67.     /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */  
    68.     memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);  
    69.     /* 
    70.      * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before- 
    71.      * we update the fifo->out index. 
    72.      */  
    73.     smp_mb();  
    74.     fifo->out += len; //每次累加,到达最大值后溢出,自动转为0  
    75.     return len;  
    76. }  


    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:

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    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. ");  
    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:

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    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 ",stu_info->stu_id);  
    23.     printf("age:%u ",stu_info->age);  
    24.     printf("score:%u ",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. ");  
    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("------------------------------------------ ");  
    51.     printf("get a student info from ring buffer. ");  
    52.     ring_buffer_get(ring_buf, (void *)&stu_info, sizeof(student_info));  
    53.     printf("ring buffer length: %u ", ring_buffer_len(ring_buf));  
    54.     print_student_info(&stu_info);  
    55.     printf("------------------------------------------ ");  
    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("****************************************** ");  
    70.     student_info *stu_info = get_student_info(cur_time + seed);  
    71.     printf("put a student info to ring buffer. ");  
    72.     ring_buffer_put(ring_buf, (void *)stu_info, sizeof(student_info));  
    73.     printf("ring buffer length: %u ", ring_buffer_len(ring_buf));  
    74.     printf("****************************************** ");  
    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 ",  
    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 ",  
    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 ",  
    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. ");  
    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. ");  
    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....... ");  
    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. }  


    总结:

    len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out); 
          在 len 和 (fifo->size - fifo->in + fifo->out) 之间取一个较小的值赋给len。注意,当 (fifo->in == fifo->out+fifo->size) 时,表示缓冲区已满,此时得到的较小值一定是0,后面实际写入的字节数也全为0。
          另一种边界情况是当 len 很大时(因为len是无符号的,负数对它来说也是一个很大的正数),这一句也能保证len取到一个较小的值,因为    fifo->in总是大于等于 fifo->out ,所以后面的那个表达式 l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1))); 的值不会超过fifo->size的大小。
          smp_mb();  smp_wmb(); 是加内存屏障,这里不是我们讨论的范围,你可以忽略它。 
          l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));    是把上一步决定的要写入的字节数len “切开”,这里又使用了一个技巧。注意:实际分配给fifo->buffer 的字节数 fifo->size,必须是2的幂,否则这里就会出错。既然 fifo->size 是2的幂,那么 (fifo->size-1) 也就是一个后面几位全为1的数,也就能保证(fifo->in & (fifo->size - 1)) 总为不超过 (fifo->size - 1) 的那一部分,和 (fifo->in)% (fifo->size - 1) 的效果一样。 
          这样后面的代码就不难理解了,它先向  fifo->in  到缓冲区末端这一块写数据,如果还没写完,在从缓冲区头开始写入剩下的,从而实现了循环缓冲。最后,把写指针后移 len 个字节,并返回len。
           从上面可以看出,fifo->in的值可以从0变化到超过fifo->size的数值,fifo->out也如此,但它们的差不会超过fifo->size。

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