Linux 內核里的“智能指針”

from: http://begeek.cn/post/7889.html?ref=myread

眾所周知，C/C++語言本身并不支持垃圾回收機制，雖然語言本身具有極高的靈活性，但是當遇到大型的項目時，繁瑣的內存管理往往讓人痛苦異常。現代的C/C++類庫一般會提供智能指針來作為內存管理的折中方案，比如STL的auto_ptr，Boost的Smart_ptr庫，QT的QPointer家族，甚至是基于C語言構建的GTK+也通過引用計數來實現類似的功能。Linux內核是如何解決這個問題呢？同樣作為C語言的解決方案，Linux內核采用的也是引用計數的方式。如果您更熟悉C++，可以把它類比為Boost的shared_ptr，或者是QT的QSharedPointer。

在Linux內核里，引用計數是通過 struct kref 結構來實現的。在介紹如何使用 kref 之前，我們先來假設一個情景。假如您開發的是一個字符設備驅動，當設備插上時，系統自動建立一個設備節點，用戶通過文件操作來訪問設備節點。

如上圖所示，最左邊的綠色框圖表示實際設備的插拔動作，中間黃色的框圖表示內核中設備對象的生存周期，右邊藍色的框圖表示用戶程序系統調用的順序。如果用戶程序正在訪問的時候設備突然被拔掉，驅動程序里的設備對象是否立刻釋放呢？如果立刻釋放，用戶程序執行的系統調用一定會發生內存非法訪問；如果要等到用戶程序close之后再釋放設備對象，我們應該怎么來實現？kref就是為了解決類似的問題而生的。

kref的定義非常簡單，其結構體里只有一個原子變量。

struct kref {atomic_t refcount; };

Linux內核定義了下面三個函數接口來使用kref：

void kref_init(struct kref *kref); void kref_get(struct kref *kref); int kref_put(struct kref *kref, void (*release) (struct kref *kref));

我們先通過一段偽代碼來了解一下如何使用kref。

struct my_obj {int val;struct kref refcnt; };struct my_obj *obj;void obj_release(struct kref *ref) {struct my_obj *obj = container_of(ref, struct my_obj, refcnt);kfree(obj); }device_probe() {obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL);kref_init(&obj->refcnt); }device_disconnect() {kref_put(&obj->refcnt, obj_release); }.open() {kref_get(&obj->refcnt); }.close() {kref_put(&obj->refcnt, obj_release); }

在這段代碼里，我們定義了obj_release來作為釋放設備對象的函數，當引用計數為0時，這個函數會被立刻調用來執行真正的釋放動作。我們先在device_probe里把引用計數初始化為1，當用戶程序調用open時，引用計數又會被加1，之后如果設備被拔掉，device_disconnect會減掉一個計數，但此時refcnt還不是0，設備對象obj并不會被釋放，只有當close被調用之后，obj_release才會執行。

看完偽代碼之后，我們再來實戰一下。為了節省篇幅，這個實作并沒有建立一個字符設備，只是通過模塊的加載和卸載過程來對感受一下kref。

#include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h>struct my_obj {int val;struct kref refcnt; };struct my_obj *obj;void obj_release(struct kref *ref) {struct my_obj *obj = container_of(ref, struct my_obj, refcnt);printk(KERN_INFO "obj_releasen");kfree(obj); }static int __init kreftest_init(void) {printk(KERN_INFO "kreftest_initn");obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL);kref_init(&obj->refcnt);return 0; }static void __exit kreftest_exit(void) {printk(KERN_INFO "kreftest_exitn");kref_put(&obj->refcnt, obj_release);return; }module_init(kreftest_init); module_exit(kreftest_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

通過kbuild編譯之后我們得到kref_test.ko，然后我們順序執行以下命令來掛載和卸載模塊。

sudo insmod ./kref_test.ko

sudo rmmod kref_test

此時，系統日志會打印出如下消息：

kreftest_init

kreftest_exit

obj_release

這正是我們預期的結果。

有了kref引用計數，即使內核驅動寫的再復雜，我們對內存管理也應該有信心了吧。

接下來主要介紹幾點使用kref時的注意事項。

Linux內核文檔kref.txt羅列了三條規則，我們在使用kref時必須遵守。

規則一：

If you make a non-temporary copy of a pointer, especially if it can be passed to another thread of execution, you must increment the refcount with kref_get() before passing it off；

規則二：

When you are done with a pointer, you must call kref_put()；

規則三：

If the code attempts to gain a reference to a kref-ed structure without already holding a valid pointer, it must serialize access where a kref_put() cannot occur during the kref_get(), and the structure must remain valid during the kref_get().

對于規則一，其實主要是針對多條執行路徑（比如另起一個線程）的情況。如果是在單一的執行路徑里，比如把指針傳遞給一個函數，是不需要使用kref_get的。看下面這個例子：

kref_init(&obj->ref);// do something here // ...kref_get(&obj->ref); call_something(obj); kref_put(&obj->ref);// do something here // ...kref_put(&obj->ref);

您是不是覺得call_something前后的一對kref_get和kref_put很多余呢？obj并沒有逃出我們的掌控，所以它們確實是沒有必要的。

但是當遇到多條執行路徑的情況就完全不一樣了，我們必須遵守規則一。下面是摘自內核文檔里的一個例子：

struct my_data {..struct kref refcount;.. };void data_release(struct kref *ref) {struct my_data *data = container_of(ref, struct my_data, refcount);kfree(data); }void more_data_handling(void *cb_data) {struct my_data *data = cb_data;.. do stuff with data here.kref_put(&data->refcount, data_release); }int my_data_handler(void) {int rv = 0;struct my_data *data;struct task_struct *task;data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);if (!data)return -ENOMEM;kref_init(&data->refcount);kref_get(&data->refcount);task = kthread_run(more_data_handling, data, "more_data_handling");if (task == ERR_PTR(-ENOMEM)) {rv = -ENOMEM;goto out;}.. do stuff with data here.out:kref_put(&data->refcount, data_release);return rv; }

因為我們并不知道線程more_data_handling何時結束，所以要用kref_get來保護我們的數據。

注意規則一里的那個單詞“before”，kref_get必須是在傳遞指針之前進行，在本例里就是在調用kthread_run之前就要執行kref_get，否則，何談保護呢？

對于規則二我們就不必多說了，前面調用了kref_get，自然要配對使用kref_put。

規則三主要是處理遇到鏈表的情況。我們假設一個情景，如果有一個鏈表擺在你的面前，鏈表里的節點是用引用計數保護的，那你如何操作呢？首先我們需要獲得節點的指針，然后才可能調用kref_get來增加該節點的引用計數。根據規則三，這種情況下我們要對上述的兩個動作串行化處理，一般我們可以用mutex來實現。請看下面這個例子：

static DEFINE_MUTEX(mutex); static LIST_HEAD(q); struct my_data {struct kref refcount;struct list_head link; };static struct my_data *get_entry() {struct my_data *entry = NULL;mutex_lock(&mutex);if (!list_empty(&q)) {entry = container_of(q.next, struct my_q_entry, link);kref_get(&entry->refcount);}mutex_unlock(&mutex);return entry; }static void release_entry(struct kref *ref) {struct my_data *entry = container_of(ref, struct my_data, refcount);list_del(&entry->link);kfree(entry); }static void put_entry(struct my_data *entry) {mutex_lock(&mutex);kref_put(&entry->refcount, release_entry);mutex_unlock(&mutex); }

這個例子里已經用mutex來進行保護了，假如我們把mutex拿掉，會出現什么情況？記住，我們遇到的很可能是多線程操作。如果線程A在用container_of取得entry指針之后、調用kref_get之前，被線程B搶先執行，而線程B碰巧又做的是kref_put的操作，當線程A恢復執行時一定會出現內存訪問的錯誤，所以，遇到這種情況一定要串行化處理。

我們在使用kref的時候要嚴格遵循這三條規則，才能安全有效的管理數據。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux 内核里的“智能指针”的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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