Linux 内核：匠心独运之无锁环形队列

0Linux 内核：匠心独运之无锁环形队列

Kernel version	Linux 2.6.12
Author	Toney
Email	​​[e-mail]​​
Date	2020.11.8

1. 前言

金庸老爷子在《神雕侠侣》中说独孤求败的玄铁重剑时，说道“重剑无锋，大巧不工”。他说的是如果个人修养达到一定的阶段，“花石草木皆可为剑”，而不需要更多技巧。在Linux内核中从来不缺少简洁、优美、高效的实现代码，缺少的是发现这些美的眼睛和毅力。在Linux内核中，代码的简洁高效并不意味采用了独家秘方，恰恰相反，它们往往通过最基本的知识和数据结构来实现完美的代码，而kfifo可以说就是其中的一个典范。

这里用“大巧不工”来形容Linux中的无锁环形队列显然不合适，原因在于：无锁环形队列属于精雕细琢，大道至简、匠心独运，简洁而不简单。它使用最基本的技术知识实现了重要的功能。下面我们便一睹其芳容。

1. Kfifo简介

本文分析的原代码版本	2.6.12
kfifo的头文件	linux-2.6.12\include\linux\kfifo.h
kfifo的源文件	linux-2.6.12\kernel\kfifo.c

kfifo是一种"First In First Out “数据结构，它采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。采用环形缓冲区的好处为，当一个数据元素被用掉后，其余数据元素不需要移动其存储位置，从而减少拷贝提高效率。更重要的是，==kfifo采用了并行无锁技术，kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不需要加锁同步的==。

并行无锁技术的由来：

当前高性能的服务器软件(例如HTTP加速器)大多都运行在多核服务器上，当前的硬件可以支持32、 64甚至更多的CPU，在这种高并发的环境下，锁竞争机制有时候比数据拷贝、上下文切换等更伤害系统的性能，因此在多核环境下，需要把重要的数据结构从锁的保护下移到无锁环境中，以此来提高软件的性能。

所以，现在无锁机制越来越流行，在不同的环境中使用不同的无锁队列可以节省开销，提高程序效率。

[^1]: 《深入浅出DPDK》第四章同步互斥机制：4.4.1 Linux内核无锁环形缓冲

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 */
};

kfifo结构中个字段的含义：

buffer	用于存放数据的缓存
size	缓冲区空间的大小，要求为2的幂次方
in	指向buffer中队头
out	指向buffer中的队尾
lock

Kfifo无锁队列的应用注意事项：

• ==单生产者/单消费者无需使用锁进行同步==
• ==未使用kfifo_reset()==
• ==只有在消费者端使用了kfifo_reset_out()==

以上三种条件都满足的情况下可以使用kfifo无锁队列。相反，如果存在多个生产者或者多个消费者，则可以通过锁来进行同步：

• ==多个生产者一个消费者模式，生产者端加锁同步==
• ==单个生产者多个消费者模式。消费者端加锁同步==

Kfifo作为一个基本FIFO结构，包括入队函数​​___kfifo_put​​、出队函数​​__kfifo_get()​​等基本操作。下面来一一说明。

2. Kfifo初始化

Kfifo的初始化是指为kfifo分配空间、初始化kfifo中的各项参数等操作。

/**
 * 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.
 */
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, unsigned int __nocast 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)) {/*如果不是2的幂次方，则向上取到2的幂次方*/
        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;
}

2.1 判断一个数是否为2的幂次方

在这个​​kfifo_alloc()​​函数中，要求size需要为2的幂次方，==如何实现高效的判断呢==？

在二进制中，2的幂次方很容易表示：一个数只有一个bit上是1，其余全为0，例如：

十进制数表示	二进制表示	是否为2的幂次方
8	0000 1000	是
30	0001 1110	否
666	001010011010	否
1024****	0100 0000 0000	是
2000	0111 1101 0000	否
4096	0001 0000 0000 0000	是

也就是说，如果我们可以判断：一个数的二进制上只有一个bit位为1，那么这个数肯定为2的幂次方。问题发生了等价转换，那么我们如何判断 一个数的二进制中包含几个1呢？？？。【这是面试中的一个常见问题和技巧】。方法就是：x & (x -1)==0, 则这个数二进制中只有一个1，否则包含多个1。通常使用这个方法来计算一个数中包含几个1。

/*求一个数的二进制中1的个数*/
int numberof1(int n)
{
    int count = 0;
    while(n){
        count++;
        n = n & (n-1);
    }
    return count;
}

简单的说：==x & (n -1)会将x二进制中最低位上的1置为0(最后一个1置为0)==。因此如果n&(n-1)==0，那个说明这个数二进制中只有一个bit位为1，因此肯定是2的幂次方。

2.2 求不小于某个数2的整数次幂

我看还是直接看内核实现吧：

static __inline__ int generic_fls(int x)
{
    int r = 32;

    if (!x)
        return 0;
    if (!(x & 0xffff0000u)) { 
        x <<= 16;
        r -= 16;
    }
    if (!(x & 0xff000000u)) {
        x <<= 8;
        r -= 8;
    }
    if (!(x & 0xf0000000u)) {
        x <<= 4;
        r -= 4;
    }
    if (!(x & 0xc0000000u)) {
        x <<= 2;
        r -= 2;
    }
    if (!(x & 0x80000000u)) {
        x <<= 1;
        r -= 1;1
    }
    return r;
}

static inline unsigned long __attribute_const__ roundup_pow_of_two(unsigned long x)
{
    return (1UL << generic_fls(x - 1));
}

这个效率嘛？ 由于全是位运算，肯定为求模、取余等四则运算效率要高, 不能放过任何一点可以优化的地方。至于这样做的原理，自己品品吧，也是相当经典的存在。

root@ubantu:/home/toney# ./a.out 
12 --- output=4
16 --- output=5
24 --- output=5
32 --- output=6
128 --- output=8
1024 --- output=11
1400 --- output=11
2040 --- output=11

2.3 为什么要求2的幂次方呢？

为了使用位运算，快， 快，不择手段的快

3. Kfifo入队和出队

​​__kfifo_put​​是Kfifo的入队函数，源码实现如下：

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);

    /* 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);

    fifo->in += len;

    return len;
}

==需要说明的是Linux 2.6.12版本的内核实现中并没有使用内存屏障，而在后续版本中添加了内存屏障，它是实现无锁队列的核心和关键==。这里我们就按照Linux2.6.12版本实现来说明简单原理，关于内存屏障，可以参考我的另一篇博文​​《什么是内存屏障？ Why Memory Barriers ?》​​

第6行	(in - out)表示使用的空间，size - (in - out)则表示剩余的空间。通过min()来防止写越界。
第9行	in & (size - 1)表示in落在size空间指针的位置，==作用相当于in%size==, 但位运算效率更高。通过min获取fifo右侧剩余空间大小，防止越界
第10行	将数据拷贝到fifo右侧剩余空间
第13行	len-l表示右侧空间不足时，左侧需要填充的数据长度
第15行	移动in指针位置

​​__kfifo_put​​( )是Kfifo的出队函数，源码实现如下：

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

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

    /* 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);

    fifo->out += len;

    return len;
}

连个if都不想用，真是太抠门了，哎。你多少if-else判断下in,out,len的关系，能让我舒服点呀！！！

3.1 Kfifo右侧入队

当fifo右侧剩余的空间充足时，即size - in%size > len时，直接将数据填充到右侧即可，位置为[in, in+len]。

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

​​in % size​​如何高效表示呢？ 对，就是​​in & (size - 1)​​。这里有一个前提：==那就是需要size是2的幂次方==。Why ?

首先， ​​in % size​​的范围为[0, size-1]; ​​in & (size -1)​​的范围为[0, size-1]。

其次，它的原理是：size为2的幂次方，size -1则表示【0，size-1】每一个bit位都是1，可以得到该范围的所有值，这也是要求size为2的幂次方的原因。

最后，两者在本质上是等价的，但是​​in & (size -1)​​只进行位操作，效率高很多。

3.2 Kfifo右侧+左侧入队

当右侧长度不够入队长度时，需要在kfifo左侧入队，此时kfifo左右的范围为【0，len-l】，左侧的范围为【in，in+l】。

/* 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);

3.3 无符号整数溢出回绕

首先看一个例子：

void main()
{
    unsigned int a = 0xfffffffa;
    unsigned int b = a + 10;
    unsigned int c = 4;
    printf("a = %u\n",a);
    printf("b = %u\n",b);
    printf("b - a =%d\n",b-a);
    printf("c - a =%d\n",c-a);

}

结果如下：

root@ubantu:/home/toney# gcc kfifo.c 
root@ubantu:/home/toney# ./a.out 
a = 4294967290
b = 4
b - a =10
c - a =10
root@ubantu:/home/toney#

解释如下：

a = 4294967290;
b = 4; //a + 10溢出4，--> 0x1 00 00 00 04
但是unsigned int为4字节共计32位，因此最高位无法获取，b只能获取后32bit,即0x00 00 00 04
b - a = -4294967285;即 0x1 FF FF FF F6
6 : 0110  --> 反码 1001 = 9
-4294967285在内存中的存储方式为：补码=反码+1，即0x1 00 00 00 09 +1 = 0x1 00 00 00 0a

因此b - a = 10;

因此，无论何时，即使发生整数回绕，kfifo中的变量都有如下关系： $$ fifo.in - fifo.out <= fifo.size $$ 妙不可言呀！

可惜我体会还是没有那么深刻。

4. 体会

看完kfifo的实现，最大的感觉就是：

不不，文明人说文明话，妙，是真的妙不可言。如果说这代码是我或者同事写的，我会觉得里面会不会有很多bug,但是在这我觉得没有，就是没有，真的没有呀！！！

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