linux-2.6内核模块引用计数的实现

linux-2.6内核模块引用计数的实现

作者：刘洪涛，金牌讲师。

一、模块使用计数的背景知识

模块是一种可以在内核运行过程中动态加载、卸载的内核功能组件。2.6内核中模块的命名方式为*.ko。模块在被使用时，是不允许被卸载的。编程时需要用“使用计数”来描述模块是否在被使用。

二、2.4内核使用计数的实现方法

2.4内核中，模块自身通过 MOD_INC_USE_COUNT, MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理自己被使用的计数。通常我们在写模块时，会在open方法中加入MOD_INC_USE_COUNT，在 close方法中加入MOD_DEC_USE_COUNT来实现使用计数。

三、2.6内核使用计数的实现方法

2.6内核提供了更健壮、灵活的模块计数管理接口 try_module_get(&module), module_put(&module)取代2.4中的模块使用计数管理宏。模块的使用计数不必由自身管理，而且在管理模块使用计数时考虑到 SMP与PREEMPT机制的影响（参考module.h中try_module_get和module.c中module_put的实现）。

int try_module_get(struct module *module); 用于增加模块使用计数；若返回为0，表示调用失败，希望使用的模块没有被加载或正在被卸载中。

void module_put(struct module *module); 减少模块使用计数。

try_module_get与module_put 的引入与使用与2.6内核下的设备模型密切相关。2.6内核为不同类型的设备定义了struct module *owner 域，用来指向管理此设备的模块。如字符设备的定义：

struct cdev
    {
        struct kobject kobj;
        struct module *owner;
        struct file_operations *ops;
        struct list_head list;
        dev_t dev;
        unsigned int count;
    };
    struct file_operations {
        struct module *owner;
        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
        ……
    };

从设备使用的角度出发，当需要打开、开始使用某个设备时，使用 try_module_get(dev->owner)去增加管理此设备的 owner模块的使用计数；当关闭、不再使用此设备时，使用module_put(dev->owner)减少对管理此设备的owner模块的使用 计数。这样，当设备在使用时，管理此设备的模块就不能被卸载；只有设备不再使用时模块才能被卸载。

2.6内核下，对于为具体设备写驱动的开发人员而言，基本无需使用 try_module_get与module_put，因为此时开发人员所写的驱动通常为支持某具体设备的owner模块，对此设备owner模块的计数 管理由内核里更底层的代码如总线驱动或是此类设备共用的核心模块来实现，从而简化了设备驱动开发。

四、举例说明2.6内核模块使用计数的实现过程

举一个2.6内核下字符设备驱动编写的例子来说明问题。在2.6内核下编写一个设备驱动时，初始化过程中大家都会看到如下的模板：

static struct file_operations simple_remap_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = simple_open,
    ……
    };
    static void simple_setup_cdev(struct cdev *dev, int minor,
    struct file_operations *fops)
    {
        int err, devno = MKDEV(simple_major, minor);
        cdev_init(dev, fops);
        dev->owner = THIS_MODULE;
        err = cdev_add (dev, devno, 1);
        /* Fail gracefully if need be */
        if (err)
        printk (KERN_NOTICE "Error %d adding simple%d", err, minor);
    }

无论是cdev还是file_operations都将自己的struct module *owner成员指向了THIS_MODULE。那么这个THIS_MODULE 是什么呢？

内核源码目录下include/linux/module.h

#ifdef MODULE
    #define MODULE_GENERIC_TABLE(gtype,name) \
    extern const struct gtype##_id __mod_##gtype##_table \
       __attribute__ ((unused, alias(__stringify(name))))

extern struct module __this_module;
    #define THIS_MODULE (&__this_module)
    #else /* !MODULE */
    #define MODULE_GENERIC_TABLE(gtype,name)
    #define THIS_MODULE ((struct module *)0)
    #endif

__this_module这个符号是在加载到内核后才产生的。insmod命令执行后，会调用kernel/module.c里的一个系统调用 sys_init_module，它会调用load_module函数，将用户空间传入的整个内核模块文件创建成一个内核模块，并返回一个struct module结构体，从此，内核中便以这个结构体代表这个内核模块。THIS_MODULE类似进程的CURRENT。

struct module
    {……
        struct module_ref ref[NR_CPUS];
    }

struct module_ref
    {
        local_t count;//记录模块使用计数
    } ____cacheline_aligned;

现在咱们就看看内核是如何帮助我们完成使用计数的。

在2.4内核中，我们是通过在open方法中增加引用计数，在close方法中减少引用计数。在2.6内核中，内核肯定也是要在open、close时帮助我们实现同样功能的。

打开字符设备的大体流程如下：

sys_open()->do_sys_open()->do_filp_open()->nameidata_to_filp() ->__dentry_open()->chrdev_open()->open()

2.6内核中并不要求模块在open中显示的实现使用计数，真正使用模块使用计数是在chrdev_open()中完成的。

内核源码fs/char_dev.c

static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    {
       struct cdev *p;
    ……
       cdev_get(p)； //增加cdev中owner指向的module的使用计数
    ……
        filp->f_op = fops_get(p->ops);}// 增加file_operations中owner指向的module的使用计数
        if (filp->f_op->open) {
             lock_kernel();
             ret = filp->f_op->open(inode,filp);//调用到设备驱动中的open
             unlock_kernel();
         }
     }

static struct kobject *cdev_get(struct cdev *p)
    {
          struct module *owner = p->owner;
     ……
          if (owner && !try_module_get(owner))
          return NULL;
    ……
    }

内核源码Include/linux/fs.h

#define fops_get(fops) \
          (((fops) && try_module_get((fops)->owner) ? (fops) : NULL))

关闭设备的大体流程

sys_close()->filp_close()->fput()->__fput()->release()

2.6内核中并不要求模块在release中显示的实现使用计数，真正使用模块使用计数是在__fput()中完成的。

void __fput(struct file *file)
    {
          struct dentry *dentry = file->f_path.dentry;
          struct vfsmount *mnt = file->f_path.mnt;
          struct inode *inode = dentry->d_inode;

      if (file->f_op && file->f_op->release)
                file->f_op->release(inode, file);//调用到设备驱动中的release
          ……
                cdev_put(inode->i_cdev); //减少cdev中owner指向的module的使用计数
          ……
                fops_put(file->f_op);// 减少file_operations中owner指向的module的使用计数
          ……
     }