Linux裝置驅動程式學習（3-補） -Linux中的迴圈緩衝區

 

參考資料：《Linux核心中的迴圈緩衝區》作者：西郵 王聰 嚴重感謝文章作者！ 但是（可能是源碼版本問題）有些結論並不正確： “而kfifo_init只會接受一個已指派好空間的fifo->buffer，不能和kfifo_free搭配，用kfifo_init分配的kfifo只能用kfree釋放。” 閱讀源碼可以得出這樣的結論：kfifo_init和kfifo_alloc分配的kfifo都能用kfree釋放。已經用實驗證實。原文連結地址： http://www.kerneltravel.net/jiaoliu/kern-kfifo.html在學習到第十章 中斷處理 時，其中的中斷驅動的I/O需要使用緩衝區，我覺得與其自己實現一個緩衝區，不如利用核心已經寫好的fifo。核心裡有一個通用的迴圈緩衝區的實現在 <linux/kfifo.h>。 使用的資料結構如下：

struct kfifo {unsigned char *buffer; /* 使用的緩衝區頭指標 */unsigned int size; /* 緩衝區總大小 */unsigned int in; /* 已寫入緩衝區的資料總量，當前緩衝區寫指標的位移量：(in % size) */unsigned int out; /* 已讀出緩衝區的資料總量，當前緩衝區讀指標的位移量：(out % size) */    spinlock_t *lock; /* 為避免競態的自旋鎖 */};/*當in==out時，緩衝區為空白；當(in-out)==size時，緩衝區已滿*/

kfifo提供的迴圈緩衝的部分函數分為2類：（1）以雙底線開頭，沒有使用自旋鎖函數；（2）沒有雙底線開頭，需要額外加鎖的情況下使用的函數。其實第二類只是在第一類的基礎上進行加鎖後，實際的代碼如下：

unsigned long flags;    spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);/*第一類函數*/    spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);

以下我按使用的順序介紹每個函數的使用，部分函數源碼在kernel/kfifo.c中定義，這些介面是經過精心構造的，可以小心地避免一些邊界情況，原理其實很簡單，建議去看源碼弄清楚實現的原理，可以學到一些編程技巧。（0）聲明迴圈緩衝資料結構指標

struct kfifo *tekkamanfifo;

（1）初始化迴圈緩衝結構體

struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,                 gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock); /*調用kfifo_init必須保證size是2的整數次冪，而且buffer只接受一個已指派好空間的指標。也就是說之前要使用kmalloc分配好空間，將返回的指標傳遞到buffer*/ struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,                  spinlock_t *lock); /*調用kfifo_alloc不必保證size是2的冪，它內部會把size向上調整到2的整數次冪。空間分配的內部實現使用kmalloc。函數內部調用kfifo_init/

buffer：之前要使用kmalloc分配好的空間指標；size：迴圈緩衝空間大小；gfp_mask：和kmalloc使用的分配標誌（flags）一樣。（參閱Linux裝置驅動程式學習（8）-分配記憶體）lock：是事先聲明並初始化好的自旋鎖結構體指標；傳回值 為初始化好的迴圈緩衝資料結構指標 。（2） 向緩衝區裡寫入資料

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：要寫入資料的緩衝區結構體指標；buffer：要寫入的資料指標，指向核心空間。如需要使用者空間資料，之前要用copy_from_user複製資料到核心空間；len：要寫入的資料大小；傳回值 為寫入緩衝區的資料位元組數。（3）從緩衝區裡讀出資料

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);

參數定義和kfifo_put類似。傳回值 為從緩衝區讀出的資料位元組數。（4）得到緩衝區已有的資料位元組數

unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo); unsigned int __kfifo_len(struct kfifo *fifo);

fifo：要操作的緩衝區結構體指標；函數返回緩衝區實際已有的資料位元組數，內部實現十分簡單，就是in - out；傳回值 為緩衝區已有的資料位元組數。（5）清空緩衝區

void __kfifo_reset(struct kfifo *fifo); void kfifo_reset(struct kfifo *fifo);

內部實現十分簡單，就是in = out = 0。（6）使用結束，釋放緩衝區。

void kfifo_free(struct kfifo *fifo);

所有的kfifo提供的迴圈緩衝的函數就是這些。在理解內部實現原理的基礎上才能更好的使用它，所以 再次建議閱讀源碼，因為源碼很簡單，但是很精巧。 ARM9開發板實驗 實驗模組源碼：scull-kfifo 測試程式源碼：scull-kfifo-test 實驗現象：  

[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]#