Linux内核基础设施

1.前言

本文主要介绍Linux内核实现的基本数据类型，包括链表，内核对象，内核对象引用计数，内核对象集合，

2.链表

1. 链表的基本结构

内核链表可以将任何类型的数据结构连接起来，链表结构如下：

struct list_head {
    struct list_head *next, *prev;
};

 

图 标准双链表

典型的循环双向链表如上图所示。

2. 链表相关API

LIST_HEAD(list_name) 定义一个list_head结构体，next和pre成员均初始化为当前新创建的list_head

list_add(new,head) 用于head元素之后紧接着插入new元素

list_add_tail(new,head) 在head元素前面插入new元素，由于是循环链表，实际是将new元素插入到末尾

list_del(entry) 从链表中删除一项 

list_empty(head) 检查链表是否为空

list_splice(list, head) 合并两个链表，把list插入到另一个链表head的后面

list_entry(ptr, tpe, member) ptr是某数据结构中指向list_head成员的指针，type是该数据结构的类型，member是该数据结构中list_head成员变量名

list_for_each(pos, head) 用于遍历链表的所有元素。pos表示链表的当前位置，head指定了表头

3. 内核对象

3.1 kobject

1. kobject的基本结构

struct kobject {
    const char        *name; /*kobject的名字*/
    struct list_head    entry;/*用于将kobject放置到一个链表中*/
    struct kobject        *parent;/*指向当前kobject的父对象，用于建立层次结构*/
    struct kset        *kset; /*用于将对象与其他对象放到一个集合中*/
    struct kobj_type    *ktype; /*提供了kobject的更多属性，最重要的是释放该数据结构资源的析构器函数*/
    struct kernfs_node    *sd; /* sysfs directory entry */
    struct kref        kref; /*用于简化引用计数*/
#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
    struct delayed_work    release;
#endif
    unsigned int state_initialized:1;
    unsigned int state_in_sysfs:1;
    unsigned int state_add_uevent_sent:1;
    unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
    unsigned int uevent_suppress:1;
};

 注：kobject不是通过指针与其他数据结构连接，而必须直接嵌入到其他数据结构中，这样通过管理kobject达到了包含kobject对象的管理。由于kobject会嵌入到许多数据结构中，因此要保持kobject结构较小。

2. kobject的API

struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj) 增加kobject的引用计数

void kobject_put(struct kobject *kobj) 减少kobject的引用计数

void kobject_init(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype) 初始化kobject结构体，即将引用计数设为0，并初始化kobject的链表成员

int kobject_add(struct kobject *kobj, struct kobject *parent, 将kobject加入sysfs中显示
        const char *fmt, ...)

int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype, struct kobject *parent, const char *fmt, ...) kobject_init和kobject_add的合并操作

struct kobject *kobject_create(void)   为一个kobject分配空间，并调用kobject_init初始化

struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent) kobject_create和kobject_add的合并操作

static void kobject_cleanup(struct kobject *kobj) 在不需要kobject(以及包含kobject的对象)时释放kobject占用的资源

3.2 kref

1.kref结构体

引用计数用来检测内核中有多少地方使用了某个对象，当内核一个部分包含某个对象的信息时，需要将该对象对应kobject的kref加1，不需要时则减1，如果减为0则释放该对象

struct kref { 
    atomic_t refcount; /*原子计数，给出内核中当期使用某个对象的计数，在计数为0时，kobject就可以从内存中删除了*/
};

 2.kref的API

static inline void kref_init(struct kref *kref) 初始化kref,即将refcount初始化为1

static inline void kref_get(struct kref *kref)  要使用某个对象必须将对应的kobject的引用计数加1

static inline int kref_sub(struct kref *kref, unsigned int count,
void (*release)(struct kref *kref))             对象不在使用则将对应的kref减1，如果引用计数为0则调用release释放kobject

 3.3 kset

kset是kobject应用的第一个例子，因此它是用kobject 进行管理的，它与kset中包含的各个kobject无关，此处的kobject只是纯粹为了管理kset之需

struct kset {
    struct list_head list; /*用于链接当前kset中所有的kobject的链表*/
    spinlock_t list_lock; 
    struct kobject kobj;
    const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; /*提供了若干函数指针，用于将kset的相关信息透给应用层*/
};

 3.4 ktype 

struct kobj_type {
    void (*release)(struct kobject *kobj);
    const struct sysfs_ops *sysfs_ops;
    struct attribute **default_attrs;
    const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
    const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
};

 注：ktype与kset没有关系，kset已经提供了集合功能，ktype提供了与sysfs文件系统相关的接口。如果多个kobject导出类似的信息，则可以共享一个ktype提供所需要的方法

4.  数据类型

• 数据类型定义

typedef  为避免依赖体系结构的相关特性，如sector_t, pid_t等

• 字节序

cpu_to_le64 将64位数据类型转换为小端序格式

le64_to_cpu 将64位小端序格式转换为64位cpu端格式

• per-cpu变量

可有效避免多处理器并发访问同个变量引发的并发问题

DEFINE_PER_CPU(name, type) name是变量名， type是数据类型

get_cpu(name, cpu) 获取当前cpu上创建的变量实例

smp_processor_id() 返回当前 cpu 的id

• 访问用户空间

__user 使用此标记来标识指向用户空间的指针

5. 参考文档

[1] 深入Linux内核架构（PLKA）