巧夺天工的kfifo(修订版）

Posted 2022-07-30 海枫

多年以前写了篇《巧夺天工的kfifo》文章，最近有好位网友发消息讨论kfifo实现细节。发现原文有些细节没有说得很清楚，甚至有点啰嗦，于是趁今晚有空修订一下。

Linux kernel里面从来就不缺少简洁，优雅和高效的代码，只是我们缺少发现和品味的眼光。在Linux kernel里面，简洁并不表示代码使用神出鬼没的超然技巧，相反，它使用的不过是大家非常熟悉的基础数据结构，但是kernel开发者能从基础的数据结构中，提炼出优美的特性。
kfifo就是这样的一类优美代码，它十分简洁，绝无多余的一行代码，却非常高效。
关于kfifo信息如下：

本文分析的原代码版本： 2.6.24.4

kfifo的定义文件： kernel/kfifo.c

kfifo的头文件： include/linux/kfifo.h

kfifo概述

kfifo是内核里面的一个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kfifo的线程安全。
kfifo代码既然肩负着这么多特性，那我们先一敝它的代码：

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 */
;

这是kfifo的数据结构，kfifo主要提供了两个操作，__kfifo_put(入队操作)和__kfifo_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

lock: 如果使用不能保证任何时间最多只有一个读线程和写线程，需要使用该lock实施同步。

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：

+--------------------------------------------------------------+
|            |<----------data---------->|                      |
+--------------------------------------------------------------+
             ^                          ^                      ^
             |                          |                      |
            out                        in                     size

当然，内核开发者使用了一种更好的技术处理了in, out和buffer的关系，我们将在下面进行详细分析。

kfifo功能描述

kfifo提供如下对外功能规格

1. 只支持一个读者和一个读者并发操作
2. 无阻塞的读写操作，如果空间不够，则返回实际访问空间

kfifo_alloc 分配kfifo内存和初始化工作

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)) 
        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;

这里值得一提的是，kfifo->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，这是内核一贯的做法。这样的好处不言而喻——对kfifo->size取模运算可以转化为与运算，如下：

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

在kfifo_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。

这都是常用的技巧，只不过大家没有将它们结合起来使用而已，下面要分析的__kfifo_put和__kfifo_get则是将kfifo->size的特点发挥到了极致。

__kfifo_put和__kfifo_get巧妙的入队和出队

__kfifo_put是入队操作，它先将数据放入buffer里面，最后才修改in参数；__kfifo_get是出队操作，它先将数据从buffer中移走，最后才修改out。你会发现in和out两者各司其职。

下面是__kfifo_put和__kfifo_get的代码

unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)

    unsigned int l;

    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 */
    l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
    memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);

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

    fifo->in += len;

    return len;

奇怪吗？代码完全是线性结构，没有任何if-else分支来判断是否有足够的空间存放数据。内核在这里的代码非常简洁，没有一行多余的代码。

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

这个表达式计算当前写入的空间，换成人可理解的语言就是：

l = kfifo可写空间和预期写入空间的最小值

使用min宏来代if-else分支

__kfifo_get也应用了同样技巧，代码如下：

unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,
             unsigned char *buffer, unsigned int len)

    unsigned int l;

    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 */
    l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));
    memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);

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

    fifo->out += len;

    return len;

认真读两遍吧，我也读了多次，每次总是有新发现，因为in, out和size的关系太巧妙了，竟然能利用上unsigned int回绕的特性。

原来，kfifo每次入队或出队，kfifo->in或kfifo->out只是简单地kfifo->in/kfifo->out += len，并没有对kfifo->size 进行取模运算。因此kfifo->in和kfifo->out总是一直增大，直到unsigned in最大值时，又会绕回到0这一起始端。但始终满足：

kfifo->in - kfifo->out <= kfifo->size

即使kfifo->in回绕到了0的那一端，这个性质仍然是保持的。

对于给定的kfifo:

数据空间长度为：kfifo->in - kfifo->out

而剩余空间（可写入空间）长度为：kfifo->size - (kfifo->in - kfifo->out)

尽管kfifo->in和kfofo->out一直超过kfifo->size进行增长，但它对应在kfifo->buffer空间的下标却是如下：

kfifo->in % kfifo->size (i.e. kfifo->in & (kfifo->size - 1))

kfifo->out % kfifo->size (i.e. kfifo->out & (kfifo->size - 1))

往kfifo里面写一块数据时，数据空间、写入空间和kfifo->size的关系如果满足：

kfifo->in % size + len > size

那就要做写拆分了，见下图：

                                                    kfifo_put（写）空间开始地址
                                                    |
                                                   \\_/
                                                    |XXXXXXXXXX
XXXXXXXX|                                                    
+--------------------------------------------------------------+
|                        |<----------data---------->|          |
+--------------------------------------------------------------+
                         ^                          ^          ^
                         |                          |          |
                       out%size                   in%size     size
        ^
        |
      写空间结束地址                      

第一块当然是: [kfifo->in % kfifo->size, kfifo->size]
第二块当然是：[0, len - (kfifo->size - kfifo->in % kfifo->size)]

下面是代码，细细体味吧：

/* first put the data starting from fifo->in to buffer end */   
l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));   
memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);   

/* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */   
memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);  

对于kfifo_get过程，也是类似的，请各位自行分析。

kfifo_get和kfifo_put无锁并发操作

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kfifo使用了无锁编程技术，以提高kernel的并发。

kfifo使用in和out两个指针来描述写入和读取游标，对于写入操作，只更新in指针，而读取操作，只更新out指针，可谓井水不犯河水，示意图如下：

                                               |<--写入-->|
+--------------------------------------------------------------+
|                        |<----------data----->|               |
+--------------------------------------------------------------+
                         |<--读取-->|
                         ^                     ^               ^
                         |                     |               |
                        out                   in              size

为了避免读者看到写者预计写入，但实际没有写入数据的空间，写者必须保证以下的写入顺序：

1. 往[kfifo->in, kfifo->in + len]空间写入数据
2. 更新kfifo->in指针为 kfifo->in + len

在操作1完成时，读者是还没有看到写入的信息的，因为kfifo->in没有变化，认为读者还没有开始写操作，只有更新kfifo->in之后，读者才能看到。

那么如何保证1必须在2之前完成，秘密就是使用内存屏障：smp_mb()，smp_rmb(), smp_wmb()，来保证对方观察到的内存操作顺序。

总结

读完kfifo代码，令我想起那首诗“众里寻他千百度，默然回首，那人正在灯火阑珊处”。不知你是否和我一样，总想追求简洁，高质量和可读性的代码，当用尽各种方法，江郞才尽之时，才发现Linux kernel里面的代码就是我们寻找和学习的对象。