无锁环形缓冲区的详细解释

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

由以下博客的分析可以知道，内核的kfifo使用了很多技巧以实现其高效性。比如，通过限定写入的数据不能溢出和内存屏障实现在单线程写单线程读的情况下不使用锁。因为锁是使用在共享资源可能存在冲突的情况下。还用设置buffer缓冲区的大小为2的幂次方，以简化求模运算，这样求模运算就演变为 (fifo->in & (fifo->size – 1))。通过使用unsigned int为kfifo的下标，可以不用考虑每次下标超过size时对下表进行取模运算赋值，这里使用到了无符号整数的溢出回零的特性。由于指示读写指针的下标一直在增加，没有进行取模运算，知道其溢出，在这种情况下写满和读完就是不一样的标志，写满是两者指针之差为fifo->size，读完的标志是两者指针相等。后面有一篇博客还介绍了VxWorks下的环形缓冲区的实现机制点击打开链接，从而可以看出linux下的fifo的灵巧性和高效性。

通过这篇文章也了解到了一些计算机体系结构的知识：多核计算机，每个核都有一个cache。

眉目传情之匠心独运的kfifo

Author：Echo Chen（陈斌）
Email：chenb19870707@gmail.com
Blog：Blog.csdn.net/chen19870707

Date：October 8th, 2014

学不考儒，务掇精华；文不按古，匠心独运。Linux kernal 鬼斧神工，博大精深，让人叹为观止，拍手叫绝。然匠心独运的设计并非扑朔迷离、盘根错节，真正的匠心独运乃辞简理博、化繁为简，在简洁中昭显优雅和智慧，kfifo就是这样一种数据结构，它就是这样简约高效，匠心独运，妙不可言，下面就跟大家一起探讨学习。

一、kfifo概述

本文分析的原代码版本	2.6.32.63
kfifo的头文件	include/linux/kfifo.h
kfifo的源文件	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。

   1: struct kfifo {
     
        2:     unsigned char *buffer;    /* the buffer holding the data */   3:     unsigned int size;    /* the size of the allocated buffer */   4:     unsigned int in;    /* data is added at offset (in % size) */   5:     unsigned int out;    /* data is extracted from off. (out % size) */   6:     spinlock_t *lock;    /* protects concurrent modifications */   7: };

buffer	用于存放数据的缓存
size	缓冲区空间的大小，在初化时，将它向上圆整成2的幂
in	指向buffer中队头
out	指向buffer中的队尾
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，必须使用该lock实施同步。

它的结构如图：

这看起来与普通的环形缓冲区没有什么差别，但是让人叹为观止的地方就是它巧妙的用 in 和 out 的关系和特性，处理各种操作，下面我们来详细分析。

二、kfifo内存分配和初始化

首先，看一个很有趣的函数，判断一个数是否为2的次幂，按照一般的思路，求一个数n是否为2的次幂的方法为看 n % 2 是否等于0，我们知道“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高，有兴趣的同学可以自己做下实验。下面再验证一下这样取2的模的正确性，若n为2的次幂，则n和n-1的二进制各个位肯定不同 (如8(1000)和7(0111))，&出来的结果肯定是0；如果n不为2的次幂，则各个位肯定有相同的 (如7(0111) 和6(0110))，&出来结果肯定为0。是不是很巧妙？

   1: bool is_power_of_2(unsigned long n)   2: {
     
        3:     return (n != 0 && ((n & (n - 1)) == 0));   4: }

再看下kfifo内存分配和初始化的代码，前面提到kfifo总是对size进行2次幂的圆整，这样的好处不言而喻，可以将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)

“取模运算”的效率并没有 “位运算” 的效率高还记得不，不放过任何一点可以提高效率的地方。

   1: struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)   2: {
     
        3:     unsigned char *buffer;   4:     struct kfifo *ret;   5:     6:     /*   7:      * round up to the next power of 2, since our 'let the indices   8:      * wrap' technique works only in this case.   9:      */  10:     if (!is_power_of_2(size)) {
     
       11:         BUG_ON(size > 0x80000000);  12:         size = roundup_pow_of_two(size);  13:     }  14:    15:     buffer = kmalloc(size, gfp_mask);  16:     if (!buffer)  17:         return ERR_PTR(-ENOMEM);  18:    19:     ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);  20:    21:     if (IS_ERR(ret))  22:         kfree(buffer);  23:    24:     return ret;  25: }

三、kfifo并发无锁奥秘—内存屏障

为什么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呢？天底下没有免费的午餐的道理人人都懂，下面我们就来看看kfifo实现并发无锁的奥秘。

我们知道编译器编译源代码时，会将源代码进行优化，将源代码的指令进行重排序，以适合于CPU的并行执行。然而，内核同步必须避免指令重新排序，优化屏障（Optimization barrier）避免编译器的重排序优化操作，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。

举个例子，如果多核CPU执行以下程序：

   1: a = 1;   2: b = a + 1;   3: assert(b == 2);

假设初始时a和b的值都是0，a处于CPU1-cache中，b处于CPU0-cache中。如果按照下面流程执行这段代码：

1 CPU0执行a=1;
2 因为a在CPU1-cache中，所以CPU0发送一个read invalidate消息来占有数据
3 CPU0将a存入store buffer
4 CPU1接收到read invalidate消息，于是它传递cache-line，并从自己的cache中移出该cache-line
5 CPU0开始执行b=a+1;
6 CPU0接收到了CPU1传递来的cache-line，即“a=0”
7 CPU0从cache中读取a的值，即“0”
8 CPU0更新cache-line，将store buffer中的数据写入，即“a=1”
9 CPU0使用读取到的a的值“0”，执行加1操作，并将结果“1”写入b（b在CPU0-cache中，所以直接进行）
10 CPU0执行assert(b == 2); 失败

软件可通过读写屏障强制内存访问次序。读写屏障像一堵墙，所有在设置读写屏障之前发起的内存访问，必须先于在设置屏障之后发起的内存访问之前完成，确保内存访问按程序的顺序完成。Linux内核提供的内存屏障API函数说明如下表。内存屏障可用于多处理器和单处理器系统，如果仅用于多处理器系统，就使用smp_xxx函数，在单处理器系统上，它们什么都不要。

smp_rmb	适用于多处理器的读内存屏障。
smp_wmb	适用于多处理器的写内存屏障。
smp_mb	适用于多处理器的内存屏障。

如果对上述代码加上内存屏障,就能保证在CPU0取a时，一定已经设置好了a = 1:

   1: void foo(void)   2: {
     
        3:  a = 1;   4:  smp_wmb();   5:  b = a + 1;   6: }

这里只是简单介绍了内存屏障的概念，如果想对内存屏障有进一步理解,请参考我的译文《为什么需要内存屏障》。

四、kfifo的入队__kfifo_put和出队__kfifo_get操作

__kfifo_put是入队操作，它先将数据放入buffer中，然后移动in的位置，其源代码如下：

   1: unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,

   2:             const unsigned char *buffer, unsigned int len)

   3: {

   4:     unsigned int l;

5:

   6:     len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);

7:

   8:     /*

   9:      * Ensure that we sample the fifo->out index -before- we

  10:      * start putting bytes into the kfifo.

  11:      */

12:

  13:     smp_mb();

14:

  15:     /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */

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

  17:     memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);

18:

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

  20:     memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);

21:

  22:     /*

  23:      * Ensure that we add the bytes to the kfifo -before-

  24:      * we update the fifo->in index.

  25:      */

26:

  27:     smp_wmb();

28:

  29:     fifo->in += len;

30:

  31:     return len;

  32: }

6行，环形缓冲区的剩余容量为fifo->size – fifo->in + fifo->out，让写入的长度取len和剩余容量中较小的，避免写越界；

13行，加内存屏障，保证在开始放入数据之前，fifo->out取到正确的值（另一个CPU可能正在改写out值）

16行，前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整，而且kfifo->in % kfifo->size 可以转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)，所以fifo->size – (fifo->in & (fifo->size – 1)) 即位 fifo->in 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值，即为需要拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上。

17行，拷贝l 字节到fifo->buffer + fifo->in的位置上，如果l = len，则已拷贝完成，第20行len – l 为0，将不执行，如果l = fifo->size – (fifo->in & (fifo->size – 1)) ，则第20行还需要把剩下的 len – l 长度拷贝到buffer的头部。

27行，加写内存屏障，保证in 加之前，memcpy的字节已经全部写入buffer，如果不加内存屏障，可能数据还没写完，另一个CPU就来读数据，读到的缓冲区内的数据不完全，因为读数据是通过 in – out 来判断的。

29行，注意这里只是用了 fifo->in += len而未取模，这就是kfifo的设计精妙之处，这里用到了unsigned int的溢出性质，当in 持续增加到溢出时又会被置为0，这样就节省了每次in向前增加都要取模的性能，锱铢必较，精益求精，让人不得不佩服。

__kfifo_get是出队操作，它从buffer中取出数据，然后移动out的位置，其源代码如下：

   1: unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,

   2:              unsigned char *buffer, unsigned int len)

   3: {

   4:     unsigned int l;

5:

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

7:

   8:     /*

   9:      * Ensure that we sample the fifo->in index -before- we

  10:      * start removing bytes from the kfifo.

  11:      */

12:

  13:     smp_rmb();

14:

  15:     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */

  16:     l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));

  17:     memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);

18:

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

  20:     memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);

21:

  22:     /*

  23:      * Ensure that we remove the bytes from the kfifo -before-

  24:      * we update the fifo->out index.

  25:      */

26:

  27:     smp_mb();

28:

  29:     fifo->out += len;

30:

  31:     return len;

  32: }

6行，可去读的长度为fifo->in – fifo->out，让读的长度取len和剩余容量中较小的，避免读越界；

13行，加读内存屏障，保证在开始取数据之前，fifo->in取到正确的值（另一个CPU可能正在改写in值）

16行，前面讲到fifo->size已经2的次幂圆整，而且kfifo->out % kfifo->size 可以转化为 kfifo->out & (kfifo->size – 1)，所以fifo->size – (fifo->out & (fifo->size – 1)) 即位 fifo->out 到 buffer末尾所剩余的长度，l取len和剩余长度的最小值，即为从fifo->buffer + fifo->in到末尾所要去读的长度。

17行，从fifo->buffer + fifo->out的位置开始读取l长度，如果l = len，则已读取完成，第20行len – l 为0，将不执行，如果l =fifo->size – (fifo->out & (fifo->size – 1)) ，则第20行还需从buffer头部读取 len – l 长。

27行，加内存屏障，保证在修改out前，已经从buffer中取走了数据，如果不加屏障，可能先执行了增加out的操作，数据还没取完，令一个CPU可能已经往buffer写数据，将数据破坏，因为写数据是通过fifo->size – (fifo->in & (fifo->size – 1))来判断的。

29行，注意这里只是用了 fifo->out += len 也未取模，同样unsigned int的溢出性质，当out 持续增加到溢出时又会被置为0，如果in先溢出，出现 in < out 的情况，那么 in – out 为负数（又将溢出），in – out 的值还是为buffer中数据的长度。

这里图解一下 in 先溢出的情况，size = 64，写入前 in = 4294967291， out = 4294967279 ，数据 in – out = 12;

写入数据16个字节，则 in + 16 = 4294967307，溢出为 11，此时 in – out = –4294967268，溢出为28，数据长度仍然正确，
由此可见，在这种特殊情况下，这种计算仍然正确，是不是让人叹为观止，妙不可言？

五、扩展

kfifo设计精巧，妙不可言，但主要为内核提供服务，内存屏障函数也主要为内核提供服务，并未开放出来，但是我们学习到了这种设计巧妙之处，就可以依葫芦画瓢，写出自己的并发无锁环形缓冲区，这将在下篇文章中给出，至于内存屏障函数的问题，好在gcc 4.2以上的版本都内置提供__sync_synchronize()这类的函数，效果相差不多。《眉目传情之并发无锁环形队列的实现》给出自己的并发无锁的实现，有兴趣的朋友可以参考一下。