内核源码kfifo分析

从2.6.10开始,Linux内核提供了一个通用的环形缓存（我喜欢称为环形队列）;它的头文件是，kfifo.c是实现代码。
在设备驱动中环形缓存出现相当多. 网络适配器, 特别地, 常常使用环形缓存来与处理器交换数据(报文)[LDD3]。

见下面的图“LDD3中描述的队列”。

我们来看下kfifo的数据结构：

struct kfifo {
    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) */
    spinlock_t *lock;    /* protects concurrent modifications */
};

如E文注释所解，buffer指向队列空间，对于队列的操作，一般会涉及到读写，如果是多线程的话，就有可能涉及到生产者/消费者，也称读者/写者问题；
size表示空间大小，必须为2^k，如果不是2^k大小，kfifo将会帮助用户扩展到一个合适的大小；
in表示写者指向的索引，在kfifo体统的put函数中，被处理为一个虚拟索引（我暂这么称呼）。之所以称之为虚拟索引，是因为该索引并不一定真正指向有效的地址空间，而是要通过一定运算才能得到真实的索引。下面的put/get代码分析将会看到内核是kfifo是怎么运算的。
out表示读者指向的索引，out的更新与in一样，都是使用了虚拟索引的概念，out总是小于等于in。

我们直接来看代码（保留了原来的注释，//后面的内容为笔者的解释）

/**
 * kfifo_init - allocates a new FIFO using a preallocated buffer
 * @buffer: the preallocated buffer to be used.
 * @size: the size of the internal buffer, this have to be a power of 2.
 * @gfp_mask: get_free_pages mask, passed to kmalloc()
 * @lock: the lock to be used to protect the fifo buffer
 *
 * Do NOT pass the kfifo to kfifo_free() after use! Simply free the
 * &struct kfifo with kfree().
 */
struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
             gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
    struct kfifo *fifo;

    /* size must be a power of 2 */
    BUG_ON(size & (size - 1)); //大小必须为2的k次方(k>0)的目的在于put/get中从虚拟索引计算真实索引,size & (size - 1)是常用判断技巧


    fifo = kmalloc(sizeof(struct kfifo), gfp_mask); //分配kfifo数据结构

    if (!fifo)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);

    fifo->buffer = buffer;
    fifo->size = size;
    fifo->in = fifo->out = 0; //当fifo->in == fifo->out 时，表示空队列

    fifo->lock = lock;

    return fifo;
}


/**
 * kfifo_alloc - allocates a new FIFO and its internal buffer
 * @size: the size of the internal buffer to be allocated.
 * @gfp_mask: get_free_pages mask, passed to kmalloc()
 * @lock: the lock to be used to protect the fifo buffer
 *
 * The size will be rounded-up to a power of 2.
 */
//通过调用kfifo_alloc分配队列空间，该函数会调用kfifo_init初始化kfifo结构体，并调整size的大小以适应运算

struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
    unsigned char *buffer;
    struct kfifo *ret;

    /*
     * round up to the next power of 2, since our 'let the indices
     * wrap' tachnique works only in this case.
     */
    if (size & (size - 1)) { //如果size不是2的k次方，代码将size调整最近的2^k次方附近

        BUG_ON(size > 0x80000000);
        size = roundup_pow_of_two(size);
    }

    buffer = kmalloc(size, gfp_mask);
    if (!buffer)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);

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

    if (IS_ERR(ret))
        kfree(buffer);

    return ret;
}

/**
 * __kfifo_put - puts some data into the FIFO, no locking version
 * @fifo: the fifo to be used.
 * @buffer: the data to be added.
 * @len: the length of the data to be added.
 *
 * This function copies at most @len bytes from the @buffer into
 * the FIFO depending on the free space, and returns the number of
 * bytes copied.
 *
 * Note that with only one concurrent reader and one concurrent
 * writer, you don't need extra locking to use these functions.
 */
unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned int l;

    //fifo->size - fifo->in + fifo->out，这段代码计算空闲的空间

    //in是写索引，out是读索引，而且put与get操作都是分别增加in与out的值来重新计算虚拟索引

    //注意，out 始终不会大于 in，(in - out)是有效数据空间大小，size是总空间的大小

    //那么空闲的空间大小就是 size - (int - out)

    //如果请求的len大于空闲空间，就使len = size - (int - out)

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

    /*
     * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we
     * start putting bytes into the kfifo.
     */

    smp_mb();

    /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */
    //(fifo->in & (fifo->size - 1))这段代码计算真实的写索引偏移，笔者假设为real_in

    //这是因为in在每次调用put之后都会增加一个len的长度

    //由于fifo->size必定是2的k次方，而(fifo->size - 1)就是类似0x00FFFFF的值

    //(fifo->in & (fifo->size - 1))的操作从数学角度将就是对长度fifo->size的取模运算

    //这里能用AND运算代替取模运算得益于前面申请的空间大小为2^k次方

    //l = min(空闲空间大小,从real_in开始到缓冲区结尾的空间)

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

    //先从buffer中拷贝l字节到缓冲区剩余空间，l<=len，也<=从real_in开始到缓冲区结尾的空间

    //所以这个copy可能没拷贝完，但是不会造成缓冲区越界

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

    /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */
    //当len > l时，拷贝buffer中剩余的内容，其实地址当然为buffer + l，而剩余的大小为len - l

    //当len == l时，下面的memcpy啥都不干，绝对精妙的算法

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

    /*
     * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-
     * we update the fifo->in index.
     */

    smp_wmb();

    //更新in（写者）的逻辑索引

    fifo->in += len;

    return len;
}

/**
 * __kfifo_get - gets some data from the FIFO, no locking version
 * @fifo: the fifo to be used.
 * @buffer: where the data must be copied.
 * @len: the size of the destination buffer.
 *
 * This function copies at most @len bytes from the FIFO into the
 * @buffer and returns the number of copied bytes.
 *
 * Note that with only one concurrent reader and one concurrent
 * writer, you don't need extra locking to use these functions.
 */
unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned int l;
    //读取的大小不能超过有效空间长度

    //经过min运算后len <= 请求的空间len, len <= size

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

    /*
     * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we
     * start removing bytes from the kfifo.
     */

    smp_rmb();

    /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */
    //同理，fifo->out & (fifo->size - 1)等于out（读者）的虚拟索引计算出来真实索引real_out

    //fifo->size - real_out就等于该索引到缓冲区尾部的空间大小

    //经过min运算后,l<=len,l<=real_out至缓冲区尾部的空间大小

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

    //从real_out开始拷贝l字节内容到buffer中

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

    /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */
    //如果lbuffer的首部开始继续拷贝剩下的内容

    //如果l == len，memcpy啥都不干

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

    /*
     * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-
     * we update the fifo->out index.
     */

    smp_mb();

    //更新out（读者）的虚拟索引

    fifo->out += len;

    return len;
}

      从上面几个重要的函数可以看出一些特性，就是put函数能放入的数据长度永远不会大于缓冲区的长度，而fifo->in - fifo->out永远小于等于size。
get函数得到的数据永远小于等于size（这个是必然的）。
在读者/写者问题中，发生互斥问题时，使用环形队列是很好的解决方案。

  LDD3中描述的队列