奥格尔巧妙kfifo

奥格尔巧妙kfifo

Author：Echo Chen（陈斌）

Email：chenb19870707@gmail.com

Blog：Blog.csdn.net/chen19870707

Date：October 8th, 2014

学不考儒，务掇精华。文不按古，匠心独运。Linux kernal 鬼斧神工，博大精深。让人叹为观止。拍手叫绝。然匠心独运的设计并不是扑朔迷离、盘根错节。真正的匠心独运乃辞简理博、化繁为简，在简洁中昭显优雅和智慧。kfifo就是这样一种数据结构，它就是这样简约高效，匠心独运，妙不可言。以下就跟大家一起探讨学习。

一、kfifo概述

本文分析的原代码版本号	2.6.32.63
kfifo的头文件	include/linux/kfifo.h
kfifo的源文件	h=linux-2.6.38.y">kernel/kfifo.c

kfifo是一种"First In First Out “数据结构。它採用了前面提到的环形缓冲区来实现，提供一个无边界的字节流服务。

採用环形缓冲区的优点为，当一个数据元素被用掉后。其余数据元素不须要移动其存储位置，从而降低拷贝提高效率。

更重要的是，kfifo採用了并行无锁技术。kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不须要加锁同步的。

   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: };

buffer	用于存放数据的缓存
size	缓冲区空间的大小。在初化时，将它向上圆整成2的幂
in	指向buffer中队头
out	指向buffer中的队尾
lock	假设使用不能保证不论什么时间最多仅仅有一个读线程和写线程，必须使用该lock实施同步。

它的结构如图：

这看起来与普通的环形缓冲区没有什么区别，可是让人叹为观止的地方就是它巧妙的用 in 和 out 的关系和特性，处理各种操作，以下我们来具体分析。

二、kfifo内存分配和初始化

首先，看一个非常有趣的函数。推断一个数是否为2的次幂，依照一般的思路。求一个数n是否为2的次幂的方法为看 n % 2 是否等于0，我们知道“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高，有兴趣的同学能够自己做下实验。

以下再验证一下这样取2的模的正确性，若n为2的次幂，则n和n-1的二进制各个位肯定不同 (如8(1000)和7(0111))。&出来的结果肯定是0。假设n不为2的次幂，则各个位肯定有同样的
(如7(0111) 和6(0110))，&出来结果肯定为0。是不是非常巧妙？

   1: bool is_power_of_2(unsigned long n)

   2: {

   3:     return (n != 0 && ((n & (n - 1)) == 0));

   4: }

再看下kfifo内存分配和初始化的代码。前面提到kfifo总是对size进行2次幂的圆整，这种优点不言而喻，能够将kfifo->size取模运算能够转化为与运算。例如以下：

kfifo->in % kfifo->size 能够转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)

“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高还记得不，不放过不论什么一点能够提高效率的地方。

   1: struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)

   2: {

   3:     unsigned char *buffer;

   4:     struct kfifo *ret;

5:

   6:     /*

   7:      * round up to the next power of 2, since our 'let the indices

   8:      * wrap' technique works only in this case.

   9:      */

  10:     if (!is_power_of_2(size)) {

  11:         BUG_ON(size > 0x80000000);

  12:         size = roundup_pow_of_two(size);

  13:     }

14:

  15:     buffer = kmalloc(size, gfp_mask);

  16:     if (!buffer)

  17:         return ERR_PTR(-ENOMEM);

18:

  19:     ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);

20:

  21:     if (IS_ERR(ret))

  22:         kfree(buffer);

23:

  24:     return ret;

  25: }

三、kfifo并发无锁奥秘---内存屏障

为什么kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不须要加锁同步的呢？天底下没有免费的午餐的道理人人都懂，以下我们就来看看kfifo实现并发无锁的奥秘。

我们知道编译器编译源码时。会将源码进行优化，将源码的指令进行重排序。以适合于CPU的并行运行。然而，内核同步必须避免指令又一次排序，优化屏障（Optimization barrier）避免编译器的重排序优化操作。保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后运行。

举个样例，假设多核CPU运行下面程序：

   1: a = 1;

   2: b = a + 1;

   3: assert(b == 2);

如果初始时a和b的值都是0。a处于CPU1-cache中，b处于CPU0-cache中。如果依照以下流程运行这段代码：

1 CPU0运行a=1;

2 由于a在CPU1-cache中，所以CPU0发送一个read invalidate消息来占有数据

3 CPU0将a存入store buffer

4 CPU1接收到read invalidate消息，于是它传递cache-line，并从自己的cache中移出该cache-line

5 CPU0開始运行b=a+1;

6 CPU0接收到了CPU1传递来的cache-line，即“a=0”

7 CPU0从cache中读取a的值，即“0”

8 CPU0更新cache-line，将store buffer中的数据写入，即“a=1”

9 CPU0使用读取到的a的值“0”。运行加1操作，并将结果“1”写入b（b在CPU0-cache中，所以直接进行）

10 CPU0运行assert(b == 2); 失败

软件可通过读写屏障强制内存訪问次序。读写屏障像一堵墙，全部在设置读写屏障之前发起的内存訪问，必须先于在设置屏障之后发起的内存訪问之前完毕，确保内存訪问按程序的顺序完毕。Linux内核提供的内存屏障API函数说明例如以下表。内存屏障可用于多处理器和单处理器系统，假设仅用于多处理器系统。就使用smp_xxx函数。在单处理器系统上，它们什么都不要。

smp_rmb	适用于多处理器的读内存屏障。
smp_wmb	适用于多处理器的写内存屏障。
smp_mb	适用于多处理器的内存屏障。

假设对上述代码加上内存屏障,就能保证在CPU0取a时。一定已经设置好了a = 1:

   1: void foo(void)

   2: {

   3:  a = 1;

   4:  smp_wmb();

   5:  b = a + 1;

   6: }

这里仅仅是简介了内存屏障的概念。假设想对内存屏障有进一步理解,请參考我的译文《为什么须要内存屏障》。

四、kfifo的入队__kfifo_put和出队__kfifo_get操作

__kfifo_put是入队操作，它先将数据放入buffer中，然后移动in的位置，其源码例如以下：

   1: unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,

   2:             const unsigned char *buffer, unsigned int len)

   3: {

   4:     unsigned int l;

5:

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

7:

   8:     /*

   9:      * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we

  10:      * start putting bytes into the kfifo.

  11:      */

12:

  13:     smp_mb();

14:

  15:     /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */

  16:     l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));

  17:     memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);

18:

  19:     /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */

  20:     memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);

21:

  22:     /*

  23:      * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-

  24:      * we update the fifo->in index.

  25:      */

26:

  27:     smp_wmb();

28:

  29:     fifo->in += len;

30:

  31:     return len;

  32: }

6行，环形缓冲区的剩余容量为fifo->size - fifo->in + fifo->out，让写入的长度取len和剩余容量中较小的，避免写越界；

13行。加内存屏障，保证在開始放入数据之前。fifo->out取到正确的值（还有一个CPU可能正在改写out值）

16行，前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整。并且kfifo->in % kfifo->size 能够转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)，所以fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)) 即位 fifo->in 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值。即为须要拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上。

17行。拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上，假设l = len。则已拷贝完毕。第20行len – l 为0。将不运行，假设l = fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)) 。则第20行还须要把剩下的 len – l 长度复制到buffer的头部。

27行，加写内存屏障，保证in 加之前，memcpy的字节已经所有写入buffer，假设不加内存屏障。可能数据还没写完，还有一个CPU就来读数据。读到的缓冲区内的数据不全然，由于读数据是通过 in – out 来推断的。

29行，注意这里仅仅是用了 fifo->in += len而未取模。这就是kfifo的设计精妙之处。这里用到了unsigned int的溢出性质。当in 持续添加到溢出时又会被置为0。这样就节省了每次in向前添加都要取模的性能，锱铢必较。精益求精，让人不得不佩服。

__kfifo_get是出队操作，它从buffer中取出数据。然后移动out的位置，其源码例如以下：

   1: unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,

   2:              unsigned char *buffer, unsigned int len)

   3: {

   4:     unsigned int l;

5:

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

7:

   8:     /*

   9:      * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we

  10:      * start removing bytes from the kfifo.

  11:      */

12:

  13:     smp_rmb();

14:

  15:     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */

  16:     l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));

  17:     memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);

18:

  19:     /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */

  20:     memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);

21:

  22:     /*

  23:      * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-

  24:      * we update the fifo->out index.

  25:      */

26:

  27:     smp_mb();

28:

  29:     fifo->out += len;

30:

  31:     return len;

  32: }

6行，可去读的长度为fifo->in – fifo->out，让读的长度取len和剩余容量中较小的，避免读越界；

13行，加读内存屏障。保证在開始取数据之前。fifo->in取到正确的值（还有一个CPU可能正在改写in值）

16行。前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整，并且kfifo->out % kfifo->size 能够转化为 kfifo->out & (kfifo->size – 1)。所以fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)) 即位 fifo->out 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值。即为从fifo->buffer + fifo->in到末尾所要去读的长度。

17行。从fifo->buffer + fifo->out的位置開始读取l长度，假设l = len，则已读取完毕，第20行len – l 为0，将不运行，假设l =fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)) ，则第20行还需从buffer头部读取 len – l 长。

27行，加内存屏障。保证在改动out前，已经从buffer中取走了数据，假设不加屏障，可能先运行了添加out的操作，数据还没取完，令一个CPU可能已经往buffer写数据，将数据破坏。由于写数据是通过fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1))来推断的。

29行，注意这里仅仅是用了 fifo->out += len 也未取模。相同unsigned int的溢出性质，当out 持续添加到溢出时又会被置为0，假设in先溢出。出现 in < out 的情况，那么 in – out 为负数（又将溢出）。in – out 的值还是为buffer中数据的长度。

这里图解一下 in 先溢出的情况，size = 64，写入前 in = 4294967291， out = 4294967279 ，数据 in – out = 12;

写入数据16个字节，则 in + 16 = 4294967307。溢出为 11，此时 in – out = –4294967268，溢出为28。数据长度仍然正确，由此可见。在这样的特殊情况下，这样的计算仍然正确，是不是让人叹为观止，妙不可言？

五、扩展

kfifo设计静止，妙不可言，但主要为内核提供服务，内存屏障函数也主要为内核提供服务，并未开放出来，可是我们学习到了这样的设计巧妙之处。就能够依葫芦画瓢，写出自己的并发无锁环形缓冲区，这将在下篇文章中给出，至于内存屏障函数的问题，好在gcc 4.2以上的版本号都内置提供__sync_synchronize()这类的函数，效果相差点儿相同。

《眉目传情之并发无锁环形队列的实现》给出自己的并发无锁的实现，有兴趣的朋友能够參考一下。

Reference

1.http://blog.csdn.net/xujianqun/article/details/7800813

2.http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%92%B0%E5%BD%A2%E7%B7%A9%E8%A1%9D%E5%8D%80#.E7.94.A8.E6.B3.95

3.http://blog.csdn.net/linyt/article/details/5764312

Echo Chen：Blog.csdn.net/chen19870707