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  • Linux设备驱动程序学习(3补) Linux中的循环缓冲区

     
    参考资料:《Linux内核中的循环缓冲区》作者:西邮 王聪 严重感谢文章作者! 但是(可能是源码版本问题)有些结论并不正确: “而kfifo_init只会接受一个已分配好空间的fifo->buffer,不能和kfifo_free搭配,用kfifo_init分配的kfifo只能用kfree释放。” 阅读源码可以得出这样的结论:kfifo_init和kfifo_alloc分配的kfifo都能用kfree释放。已经用实验证实。

    在学习到第十章 中断处理 时,其中的中断驱动的I/O需要使用缓冲区,我觉得与其自己实现一个缓冲区,不如利用内核已经写好的fifo。内核里有一个通用的循环缓冲区的实现在 <linux/kfifo.h>。
    使用的数据结构如下:
    struct kfifo {
    unsigned char *buffer; /* 使用的缓冲区头指针 */
    unsigned int size; /* 缓冲区总大小 */
    unsigned int in; /* 已写入缓冲区的数据总量,当前缓冲区写指针的偏移量:(in % size) */
    unsigned int out; /* 已读出缓冲区的数据总量,当前缓冲区读指针的偏移量:(out % size) */
        spinlock_t *lock; /* 为避免竞态的自旋锁 */
    };/*当in==out时,缓冲区为空;当(in-out)==size时,缓冲区已满*/
    kfifo提供的循环缓冲的部分函数分为2类:
    (1)以双下划线开头,没有使用自旋锁函数;
    (2)没有双下划线开头,需要额外加锁的情况下使用的函数。
    其实第二类只是在第一类的基础上进行加锁后,实际的代码如下:
    unsigned long flags;
        spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
    /*第一类函数*/
        spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
    以下我按使用的顺序介绍每个函数的使用,部分函数源码在kernel/kfifo.c中定义,这些接口是经过精心构造的,可以小心地避免一些边界情况,原理其实很简单,建议去看源码弄清楚实现的原理,可以学到一些编程技巧。
    (0)声明循环缓冲数据结构指针
    struct kfifo *tekkamanfifo;
    (1)初始化循环缓冲结构体
    struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size, 
                    gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock); 
    /*调用kfifo_init必须保证size是2的整数次幂,而且buffer只接受一个已分配好空间的指针。也就是说之前要使用kmalloc分配好空间,将返回的指针传递到buffer*/ 
    struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, 
                     spinlock_t *lock); 
    /*调用kfifo_alloc不必保证size是2的幂,它内部会把size向上调整到2的整数次幂。空间分配的内部实现使用kmalloc。函数内部调用kfifo_init/
    buffer:之前要使用kmalloc分配好的空间指针;
    size:循环缓冲空间大小;
    gfp_mask:和kmalloc使用的分配标志(flags)一样。(参阅Linux设备驱动程序学习(8)-分配内存
    lock:是事先声明并初始化好的自旋锁结构体指针;
    返回值 为初始化好的循环缓冲数据结构指针 。
    (2) 向缓冲区里写入数据
    unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len); 
    unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len);
    fifo:要写入数据的缓冲区结构体指针;
    buffer:要写入的数据指针,指向内核空间。如需要用户空间数据,之前要用copy_from_user复制数据到内核空间;
    len:要写入的数据大小;
    返回值 为写入缓冲区的数据字节数。
    (3)从缓冲区里读出数据
    unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len); 
    unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len);
    参数定义和kfifo_put类似。
    返回值 为从缓冲区读出的数据字节数。
    (4)得到缓冲区已有的数据字节数
    unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo); 
    unsigned int __kfifo_len(struct kfifo *fifo);
    fifo:要操作的缓冲区结构体指针;
    函数返回缓冲区实际已有的数据字节数,内部实现十分简单,就是in - out;
    返回值 为缓冲区已有的数据字节数。
    (5)清空缓冲区
    void __kfifo_reset(struct kfifo *fifo); 
    void kfifo_reset(struct kfifo *fifo);
    内部实现十分简单,就是in = out = 0。
    (6)使用结束,释放缓冲区。
    void kfifo_free(struct kfifo *fifo);
    所有的kfifo提供的循环缓冲的函数就是这些。在理解内部实现原理的基础上才能更好的使用它,所以再次建议阅读源码,因为源码很简单,但是很精巧。

    ARM9开发板实验
    实验模块源码:scull-kfifo
    测试程序源码:scull-kfifo-test
    实验现象:
     
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull_kfifo.ko 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices 
    Character devices: 
      1 mem 
      2 pty 
      3 ttyp 
      4 /dev/vc/0 
      4 tty 
      4 ttyS 
      5 /dev/tty 
      5 /dev/console 
      5 /dev/ptmx 
      7 vcs 
    10 misc 
    13 input 
    14 sound 
    81 video4linux 
    89 i2c 
    90 mtd 
    116 alsa 
    128 ptm 
    136 pts 
    153 spi 
    180 usb 
    189 usb_device 
    204 s3c2410_serial 
    252 scull_kfifo 
    253 usb_endpoint 
    254 rtc 
    Block devices: 
      1 ramdisk 
    256 rfd 
      7 loop 
    31 mtdblock 
    93 nftl 
    96 inftl 
    179 mmc 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 /dev/scull_kfifo c 252 0 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo 
    "sh" did write 11 bytes 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test 
    scull_kfifo: the module can not lseek! 
    please input the command :1 
    scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=11 
    please input the command :2 
    scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0 
    please input the command :1 
    scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=0 
    please input the command :q 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo 
    
    "sh" did write 31 bytes 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo 
    
    "sh" did write 31 bytes 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo
    
    "sh" did write 2 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    "sh" did write 0 bytes 
    printk: 204310 messages suppressed. 
    "sh" did write 0 bytes 
    1234567890 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test 
    scull_kfifo: the module can not lseek! 
    please input the command :1 
    scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=64 
    please input the command :q 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /dev/scull_kfifo 
    printk: 1493677 messages suppressed. 
    "cat" did read 64 bytes 
    1234"cat" reading: going to sleep 
    56789012345678901234567890 
    123456789012345678901234567890 
    12 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test 
    scull_kfifo: the module can not lseek! 
    please input the command :2 
    scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0 
    please input the command :q 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull_kfifo 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod 
    Module Size Used by Not tainted 
    [Tekkaman2440@SBC2440V4]#
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