Linux 内核通知链机制的原理及实现

一、概念：

大多数内核子系统都是相互独立的，因此某个子系统可能对其它子系统产生的事件感兴趣。为了满足这个需求，也即是让某个子系统在发生某个事件时通知其它的子 系统，Linux内核提供了通知链的机制。通知链表只能够在内核的子系统之间使用，而不能够在内核与用户空间之间进行事件的通知。 通知链表是一个函数链表，链表上的每一个节点都注册了一个函数。当某个事情发生时，链表上所有节点对应的函数就会被执行。所以对于通知链表来说有一个通知 方与一个接收方。在通知这个事件时所运行的函数由被通知方决定，实际上也即是被通知方注册了某个函数，在发生某个事件时这些函数就得到执行。其实和系统调 用signal的思想差不多。

二、数据结构：

通知链有四种类型：

1、原子通知链（ Atomic notifier chains ）：通知链元素的回调函数（当事件发生时要执行的函数）只能在中断上下文中运行，不允许阻塞。对应的链表头结构：

struct atomic_notifier_head

{

spinlock_t lock;

struct notifier_block *head;

};

2、可阻塞通知链（ Blocking notifier chains ）：通知链元素的回调函数在进程上下文中运行，允许阻塞。对应的链表头：

struct blocking_notifier_head

{

struct rw_semaphore rwsem;

struct notifier_block *head;

};

3、原始通知链（ Raw notifier chains ）：对通知链元素的回调函数没有任何限制，所有锁和保护机制都由调用者维护。对应的链表头：

struct raw_notifier_head

{

struct notifier_block *head;

};

4、SRCU 通知链（ SRCU notifier chains ）：可阻塞通知链的一种变体。对应的链表头：

struct srcu_notifier_head

{

struct mutex mutex;

struct srcu_struct srcu;

struct notifier_block *head;

};

通知链的核心结构：

struct notifier_block

{

int (*notifier_call)(struct notifier_block *, unsigned long, void *);

struct notifier_block *next;

int priority;

};

其中notifier_call是通知链要执行的函数指针，next用来连接其它的通知结构，priority是这个通知的优先级，同一条链上的notifier_block{}是按优先级排列的。内核代码中一般把通知链命名为xxx_chain, xxx_nofitier_chain这种形式的变量名。

三、运作机制：

通知链的运作机制包括两个角色：

1. 被通知者：对某一事件感兴趣一方。定义了当事件发生时，相应的处理函数，即回调函数。但需要事先将其注册到通知链中（被通知者注册的动作就是在通知链中增加一项）。

2. 通知者：事件的通知者。当检测到某事件，或者本身产生事件时，通知所有对该事件感兴趣的一方事件发生。他定义了一个通知链，其中保存了每一个被通知者对事件的处理函数（回调函数）。通知这个过程实际上就是遍历通知链中的每一项，然后调用相应的事件处理函数。

包括以下过程：

1. 通知者定义通知链。

2. 被通知者向通知链中注册回调函数。

3. 当事件发生时，通知者发出通知（执行通知链中所有元素的回调函数）。

被通知者调用 notifier_chain_register 函数注册回调函数，该函数按照优先级将回调函数加入到通知链中：

staticint notifier_chain_register(struct notifier_block **nl,struct notifier_block *n)

{

while ((*nl) != NULL)

{

if (n->priority > (*nl)->priority)

break;

nl = &((*nl)->next);

}

n->next = *nl;

rcu_assign_pointer(*nl, n);return 0;

}

注销回调函数则使用 notifier_chain_unregister 函数，即将回调函数从通知链中删除：

staticint notifier_chain_unregister(struct notifier_block **nl,struct notifier_block *n)

{

while ((*nl) != NULL)

{

if ((*nl) == n)

{

rcu_assign_pointer(*nl, n->next);return 0;

}nl = &((*nl)->next);

}

return -ENOENT;

}

通知者调用 notifier_call_chain 函数通知事件的到达，这个函数会遍历通知链中所有的元素，然后依次调用每一个的回调函数（即完成通知动作）：

staticint __kprobes notifier_call_chain(struct notifier_block **nl,unsignedlong val,void*v,int nr_to_call,int*nr_calls)

{

int ret = NOTIFY_DONE;

struct notifier_block *nb, *next_nb;nb = rcu_dereference(*nl);while (nb && nr_to_call)

{

next_nb = rcu_dereference(nb->next);

#ifdef CONFIG_DEBUG_NOTIFIERS

if (unlikely(!func_ptr_is_kernel_text(nb->notifier_call)))

{

WARN(1, "Invalid notifier called!");

nb = next_nb;

continue;

}

#endif

ret = nb->notifier_call(nb, val, v);

if (nr_calls)

(*nr_calls)++;

if ((ret & NOTIFY_STOP_MASK) == NOTIFY_STOP_MASK)

break;

nb = next_nb;

nr_to_call--;

}

return ret;

}

参数nl是通知链的头部，val表示事件类型，v用来指向通知链上的函数执行时需要用到的参数，一般不同的通知链，参数类型也不一样，例如当通知一个网卡被注册时，v就指向net_device结构，nr_to_call表示准备最多通知几个，-1表示整条链都通知，nr_calls非空的话，返回通知了多少个。

每个被执行的notifier_block回调函数的返回值可能取值为以下几个：

1. NOTIFY_DONE：表示对相关的事件类型不关心。

2. NOTIFY_OK：顺利执行。

3. NOTIFY_BAD：执行有错。

4. NOTIFY_STOP：停止执行后面的回调函数。

5. NOTIFY_STOP_MASK：停止执行的掩码。

Notifier_call_chain()把最后一个被调用的回调函数的返回值作为它的返回值。

四、举例应用：

在这里，写了一个简单的通知链表的代码。实际上，整个通知链的编写也就两个过程：

1. 首先是定义自己的通知链的头节点，并将要执行的函数注册到自己的通知链中。

2. 其次则是由另外的子系统来通知这个链，让其上面注册的函数运行。

这里将第一个过程分成了两步来写，第一步是定义了头节点和一些自定义的注册函数（针对该头节点的），第二步则是使用自定义的注册函数注册了一些通知链节点。分别在代码buildchain.c与regchain.c中。发送通知信息的代码为notify.c。

代码1 buildchain.c。它的作用是自定义一个通知链表test_chain，然后再自定义两个函数分别向这个通知链中加入或删除节点，最后再定义一个函数通知这个test_chain链：

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/sched.h>

#include <linux/notifier.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/module.h>

MODULE_LICENSE("GPL");/*

* 定义自己的通知链头结点以及注册和卸载通知链的外包函数

*//*

* RAW_NOTIFIER_HEAD是定义一个通知链的头部结点，

* 通过这个头部结点可以找到这个链中的其它所有的notifier_block

*/

static RAW_NOTIFIER_HEAD(test_chain);

/*

* 自定义的注册函数，将notifier_block节点加到刚刚定义的test_chain这个链表中来

* raw_notifier_chain_register会调用notifier_chain_register

*/

int register_test_notifier(struct notifier_block *nb)

{

return raw_notifier_chain_register(&test_chain, nb);

}

EXPORT_SYMBOL(register_test_notifier);

int unregister_test_notifier(struct notifier_block *nb)

{

return raw_notifier_chain_unregister(&test_chain, nb);

}

EXPORT_SYMBOL(unregister_test_notifier);

/*

* 自定义的通知链表的函数，即通知test_chain指向的链表中的所有节点执行相应的函数

*/

int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void *v)

{

return raw_notifier_call_chain(&test_chain, val, v);

}

EXPORT_SYMBOL(test_notifier_call_chain);

/*

* init and exit

*/

static int __init init_notifier(void)

{

printk("init_notifiern");

return 0;

}

static void __exit exit_notifier(void)

{

printk("exit_notifiern");

}

module_init(init_notifier);

module_exit(exit_notifier);

代码2 regchain.c。该代码的作用是将test_notifier1 test_notifier2 test_notifier3这三个节点加到之前定义的test_chain这个通知链表上，同时每个节点都注册了一个函数：

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/sched.h>

#include <linux/notifier.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/module.h>

MODULE_LICENSE("GPL");/*

* 注册通知链

*/

extern int register_test_notifier(struct notifier_block*);

extern int unregister_test_notifier(struct notifier_block*);static int test_event1(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)

{

printk("In Event 1: Event Number is %dn", event);

return 0;

}

static int test_event2(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)

{

printk("In Event 2: Event Number is %dn", event);

return 0;

}

static int test_event3(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)

{

printk("In Event 3: Event Number is %dn", event);

return 0;

}

/*

* 事件1，该节点执行的函数为test_event1

*/

static struct notifier_block test_notifier1 =

{

.notifier_call = test_event1,

};

/*

* 事件2，该节点执行的函数为test_event1

*/

static struct notifier_block test_notifier2 =

{

.notifier_call = test_event2,

};

/*

* 事件3，该节点执行的函数为test_event1

*/

static struct notifier_block test_notifier3 =

{

.notifier_call = test_event3,

};

/*

* 对这些事件进行注册

*/

static int __init reg_notifier(void)

{

int err;

printk("Begin to register:n");

err = register_test_notifier(&test_notifier1);

if (err)

{

printk("register test_notifier1 errorn");

return -1;

}

printk("register test_notifier1 completedn");

err = register_test_notifier(&test_notifier2);

if (err)

{

printk("register test_notifier2 errorn");

return -1;

}

printk("register test_notifier2 completedn");

err = register_test_notifier(&test_notifier3);

if (err)

{

printk("register test_notifier3 errorn");

return -1;

}

printk("register test_notifier3 completedn");

return err;

}

/*

* 卸载刚刚注册了的通知链

*/

static void __exit unreg_notifier(void)

{

printk("Begin to unregistern");

unregister_test_notifier(&test_notifier1);

unregister_test_notifier(&test_notifier2);

unregister_test_notifier(&test_notifier3);

printk("Unregister finishedn");

}

module_init(reg_notifier);

module_exit(unreg_notifier);

代码3 notify.c。该代码的作用就是向test_chain通知链中发送消息，让链中的函数运行：

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/sched.h>

#include <linux/notifier.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/module.h>

MODULE_LICENSE("GPL");extern int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void *v);/*

* 向通知链发送消息以触发注册了的函数

*/

static int __init call_notifier(void)

{

int err;

printk("Begin to notify:n");

/*

* 调用自定义的函数，向test_chain链发送消息

*/

printk("==============================n");

err = test_notifier_call_chain(1, NULL);

printk("==============================n");

if (err)

printk("notifier_call_chain errorn");

return err;

}

static void __exit uncall_notifier(void)

{

printk("End notifyn");

}

module_init(call_notifier);

module_exit(uncall_notifier);

Makefile文件：

obj-m:=buildchain.o regchain.o notify.o

CURRENT_PATH := $(shell pwd)

LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)

KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)all:

make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:

make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

运行（注意insmod要root权限）：

make

insmod buildchain.ko

insmod regchain.ko

insmod notify.ko

这样就可以看到通知链运行的效果了：

init_notifier

Begin to register:

register test_notifier1 completed

register test_notifier2 completed

register test_notifier3 completed

Begin to notify:

==============================

In Event 1: Event Number is 1

In Event 2: Event Number is 1

In Event 3: Event Number is 1

稿源：七星互联Qixoo.com