Sword 内核队列一

1.gfifo概述

gfifo是一个First In First Out数据结构，它采用环形循环队列的数据结构来实现；它提供一个无边界的字节流服务，最重要的一点是，它使用并行无锁编程技术，即当它用于只有一个入队线程和一个出队线程的场情时，两个线程可以并发操作，而不需要任何加锁行为，就可以保证gfifo的线程安全。

struct gfifo {
    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) */
};

这是gfifo的数据结构，gfifo主要提供了两个操作，gfifo_put(入队操作)和gfifo_get(出队操作)。 它的各个数据成员如下：

buffer， 用于存放数据的缓存

size, buffer空间的大小，在初化时，将它向上扩展成2的幂

in, out, 和buffer一起构成一个循环队列。 in指向buffer中队头，而且out指向buffer中的队尾，它的结构如示图如下：

2. gfifo_alloc 分配gfifo内存和初始化工作

gfifo->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linux内核一贯的做法。这样的好处不言而喻--对gfifo->size取模运算可以转化为与运算，如下：

gfifo->in % gfifo->size 可以转化为 gfifo->in & (gfifo->size – 1)

在gfifo_alloc函数中，使用size & (size – 1)来判断size 是否为2幂，如果条件为真，则表示size不是2的幂，然后调用roundup_pow_of_two将之向上扩展为2的幂。

3. gfifo_put和gfifo_get，巧妙的入队和出队操作，无锁并发

gfifo_put是入队操作，它先将数据放入buffer里面，最后才修改in参数；
gfifo_get是出队操作，它先将数据从buffer中移走，最后才修改out。
in和out两者各司其职。计算机科学家已经证明，当只有一个读经程和一个写线程并发操作时，
不需要任何额外的锁，就可以确保是线程安全的，也即gfifo使用了无锁编程技术，以提高kernel的并发。

这里以gfifo入队为例(出队原理相同)

gfifo每次入队，gfifo->in只是简单地gfifo->in += len，因此gfifo->in总是一直增大(意思是gfifo->in会比size大)，直到unsigned in最大值时，又会绕回到0这一起始端。但始终满足gfifo->out < gfifo->in，除非gfifo->in回绕到了0的那一端，即使如此，代码中计算长度的性质仍然是保持的。

我们先用简单的例子来形象说明这些性质吧：
当有数据入队时，那么in的值可能超过gfifo->size的值，那么我们使用另一个虚拟的方框来表示in变化后，在buffer内对gfifo->size取模的值。如下图如标：

当用户调用gfifo_put函数，入队的数据使gfifo的内存关系，引起上述两图的变化时，要拷贝两次内存。

因为入队数据，一部存放在gfifo->buffer的尾部，另一部分存放在gfifo->buffer的头部，计算公式非常简单。

rest = gfifo->size – gfifo->in & (gfifo->size – 1) 表示in下标到buffer末尾，还有多少空间(该空间大小未必就是合理大小，说不定比实际可用空间要大)。

如果len表示需要拷贝的长度的话，那么len - rest则表示有多少字节需要拷贝到buffer开始之处。

这样，我们读gfifo_put代码就很容易了。

len = min(len, fifo->size - (fifo->in - fifo->out));

fifo->in – fifo->out表示队列里面已使用的空间大小，fifo->size - (fifo->in – fifo->out)表示队列未使用的空间，

因此len = min(…)，取两者之小，表示实际要拷贝的字节数。

拷贝len个字符数，fifo->in到buffer末尾所剩的空间是多少，这里面计算：

rest = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));

memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, rest);

拷贝到buffer开始之处
memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - rest);

rest表示len或fifo->in到buffer末尾所剩的空进行间大小的最小值，因为需要拷rest字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上；
那么剩下要拷贝到buffer开始之处的长度为len – rest，当然，此值可能会为0，为0 时，memcpy函数不进行任何拷贝。

所有的拷贝完成后（可能是一次，也可能是两次memcpy)，fifo->in 直接 += len，不需要取模运算。

当fifo->in超过了unsigned int的最大值时，而回绕到0这一端，上述的计算公式仍然正确

因为fifo->size的大小是2的幂，而unsigned int空间的大小是2 ^ 32，后者刚好是前者的倍数。如果从上述两个图的方式来描述，则表示unsigned int空间的数轴上刚好可以划成一定数量个gfifo->size大小方框，没有长度多余。这样，fifo->in 对fifo->size取模后，刚好落后对应的位置上。

现在假设往gfifo加入数据后，使用fifo->in < fifo->out关系，如下：

假设gfifo中数据的长度为leftdata，那么fifo->in和fifo->out有这样的关系：fifo->in = fifo->out + leftdata，并且fifo->in < fifo->out

这说明fifo->in 回绕到0这一段了，尽管如此，fifo->in和fifo->out的差距还是保持的，没有变化。即fifo->in – fifo->out仍然是leftdata

那么此时的可用空间是 fifo->size – leftdata = fifo->size - (fifo->in – fifo->out) = fifo->size – fifo->in + fifo->out。

因此无论fifo->in和fifo->out谁大谁小，计算fifo剩余空间大小的公式fifo->size – fifo->in + fifo->out都正确，

故可以保证gfifo_put函数里面的长度计算均是正确的。