内核无锁队列kfifo

1、抛砖引玉

昨天遇到这样一个问题，有多个生产者，多个消费者，一个公共的消息队列，生产者向消息队列中写数据，消费者从消息队列中读数据，因为消息队列是临界资源，因此需要加锁

这样做的话，锁竞争太严重，必定会影响效率，有没有一种办法，消费者在从消息队列中读取数据时，不需要加锁？

当然有，就是为每个消费者都建立一个自己的消息队列，生产者共用一个消息队列。生产者互斥的向消息队列中写数据，负载均衡器将数据分发到每个消费者的消息队列中，消息消费者再从自己的消息队列中读取数据，这样就形成了单读单写，这样的消息队列有一个名字，叫ringbuffer(环形缓冲区)，适用于单生产者，单消费者的场景，虽然是两个线程，但是却不用加锁，可以用数组或者链表实现

有人可能会疑问，消费者自己的消息队列(ringbuffer)也是临界资源，也会被消费者和负载均衡器共同访问，难道不需要加锁控制吗？

其实在RingBuffer中设置了两个指针，head和tail。head指向下一次读的位置，tail指向的是下一次写的位置。RingBuffer可用一个数组进行存储。 在进行读操作的时候，我们只修改head的值，而在写操作的时候我们只修改tail的值。在写操作时，我们在写入内容到buffer之后才修改tail的值，而在进行读操作的时候，我们会读取tail的值并将其赋值给copyTail。赋值操作是原子操作。所以在读到copyTail之后，从head到copyTail之间一定是有数据可以读的，不会出现数据没有写入就进行读操作的情况。同样的，读操作完成之后，才会修改head的数值；而在写操作之前会读取head的值来判断是否有空间可以用来写数据。所以，这时候tail到head-1之间一定是有空间可以写数据的，而不会出现一个位置的数据还没有读出就被写操作覆盖的情况。这样就保证了RingBuffer的线程安全性。

理论证明，在一个生产者和一个消费者的情况下，两者之间的同步无需加锁，即可并发访问。

2、内核无锁队列kfifo

在Linux当中，单生产者单消费者的应用场景有很多，例如每个socket都对应着一个接受缓冲区和发送缓冲区，上层应用向发送缓冲区写数据，再将数据拷贝到网卡，发送给对方，接受缓冲区则相反。又比如一个进程A产生数据发给另外一个进程B，进程B需要对进程A传的数据进行处理并写入文件，如果B没有处理完，则A要延迟发送。为了保证进程A减少等待时间，可以在A和B之间采用一个缓冲区，A每次将数据存放在缓冲区中，B每次冲缓冲区中取。

因此Linux中有自己的ringbuffer，不过它的名字叫kfifo，kfifo设计的非常巧妙，代码很精简，以下为kfifo的相关源码，内核版本为4.9.145

2.1 kfifo结构

struct __kfifo {unsigned int	in;    //数据到来时，存放数据的位置unsigned int	out;   //读取数据的位置unsigned int	mask;  //mask+1表示缓冲区data的容量，能容纳多少个元素unsigned int	esize; //每个元素的大小void		*data;     //缓冲区的起始位置
};

请注意，这里的 in，out 均是无符号的整数类型。

2.2 kfifo分配内存

int __kfifo_alloc(struct __kfifo *fifo, unsigned int size,size_t esize, gfp_t gfp_mask)
{/** round down to the next power of 2, since our 'let the indices* wrap' technique works only in this case.*/size = roundup_pow_of_two(size);fifo->in = 0;fifo->out = 0;fifo->esize = esize;if (size < 2) {fifo->data = NULL;fifo->mask = 0;return -EINVAL;}fifo->data = kmalloc(size * esize, gfp_mask);if (!fifo->data) {fifo->mask = 0;return -ENOMEM;}fifo->mask = size - 1;return 0;
}

在为kfifo分配内存之前，需要检测传入的size是否为2的整数次幂，roundup_pow_of_two用于计算最接近且大于等于n的2的整数次幂，它的定义如下：

#define roundup_pow_of_two(n)			\
(						\__builtin_constant_p(n) ? (		\(n == 1) ? 1 :			\(1UL << (ilog2((n) - 1) + 1))	\) :		\__roundup_pow_of_two(n)			\)它可以等价为以下代码，方便理解：
unsigned int roundup_pow_of_two(unsigned int n)
{if(n == 1) return 1;int i = 0;for(; n != 0; ++i){n >> 1;}return 1U << i;
}假设n为5，二进制位0101，在for循环内，需要循环3次，n向右移3位，才为0，
最后1向左移3为，二进制为1000，十进制为8，为2的整数次幂，并且离5最近且大于5

为什么要这么做呢？因为kfifo是环形队列，它的可读可写位置必然会回到初始位置，因此就需要用到取余操作，那么 m%n 在CPU看来就等价于 m-n*floor(m/n)，其中乘法最终是通过加法和移位操作完成的，而除法首先转变为乘法，减法又会通过补码转变为加法，因此效率就比较低。

但是如果缓冲区的长度为2的整数次幂，m%n = m & (n - 1)，只有减法和位运算，效率就提高了，所以才会将缓冲区的长度设置为2的整数次幂，并且将 mask 设置为 size(容量) - 1，方便后续进行位运算

计算完size后，接着将 in/out 指向的位置初始化为0，因为此刻队列还未准备好，里面并没有任何数据。

esize 赋值给 fifo->esize 这个是代表了队列中数据的类型的 size，比如队列数据类型如果为 int，则 esize 等于 4，队列数据类型为char，则 esize 等于 1

接着调用 kmalloc_array 接口，分配一个 esize * size 大小的空间，作为缓冲区

最后将 fifo->mask 赋值为 size - 1

分配好队列后，实际情况如下所示：

2.3 kfifo初始化

这里跟kfifo分配内存有点不同，kfifo初始化是使用自己定义的buffer，不在需要调用 kmalloc_array 接口申请空间了

int __kfifo_init(struct __kfifo *fifo, void *buffer,unsigned int size, size_t esize)
{size /= esize;size = roundup_pow_of_two(size);fifo->in = 0;fifo->out = 0;fifo->esize = esize;fifo->data = buffer;if (size < 2) {fifo->mask = 0;return -EINVAL;}fifo->mask = size - 1;return 0;
}

这里依旧需要检测传入的size是否为2的整数次幂，roundup_pow_of_two用于计算最接近且大于等于n的2的整数次幂，其他部分都大致类似

2.4 kfifo释放

void __kfifo_free(struct __kfifo *fifo)
{kfree(fifo->data);fifo->in = 0;fifo->out = 0;fifo->esize = 0;fifo->data = NULL;fifo->mask = 0;
}

释放kfifo比较简单，直接释放data缓冲区，将所有的数据都置为0即可

2.5 kfifo入队列

static inline unsigned int kfifo_unused(struct __kfifo *fifo)
{return (fifo->mask + 1) - (fifo->in - fifo->out);
}static void kfifo_copy_in(struct __kfifo *fifo, const void *src,unsigned int len, unsigned int off)
{unsigned int size = fifo->mask + 1;unsigned int esize = fifo->esize;unsigned int l;off &= fifo->mask;if (esize != 1) {off *= esize;size *= esize;len *= esize;}l = min(len, size - off);memcpy(fifo->data + off, src, l);memcpy(fifo->data, src + l, len - l);/** make sure that the data in the fifo is up to date before* incrementing the fifo->in index counter*/smp_wmb();
}unsigned int __kfifo_in(struct __kfifo *fifo,const void *buf, unsigned int len)
{unsigned int l;l = kfifo_unused(fifo);if (len > l)len = l;kfifo_copy_in(fifo, buf, len, fifo->in);fifo->in += len;return len;
}

数据入队列时，调用了unsigned int __kfifo_in(struct __kfifo *fifo, const void *buf, unsigned int len)

在函数内部首先调用了kfifo_unused来判断当前还剩多少空间可以使用

前面我们已经提到过，fifo->mask 在初始化的时候被赋值成为 size - 1， 所以这里 (fifo->mask + 1) 就等于申请的时候的 size 值。size 的值代表着总的存储对象的个数，而每次在推数据进入 fifo 的时候，in 都会增加，取出数据的时候，out 都会增加。所以计算当前 fifo 中还剩余多少空间就使用了：

(fifo->mask + 1) - (fifo->in - fifo->out)

注意：这里的 in/out 是不断增加的无符号整形

接着会调用函数 static void kfifo_copy_in(struct __kfifo *fifo, const void *src, unsigned int len, unsigned int off)

首先还是通过 fifo->mask 得到了整个 size 的大小。然后是用：

off &= fifo->mask;

展开就是：

fifo->in = fifo->in & fifo->mask;

因为fifo->in是一直在增加的，但是缓冲区的容量是不变的，所以在写入数据之前，就需要找到具体在哪个位置写，也就是需要知道在缓冲区中，in的偏移量，因此就需要取余操作，但是呢，前面申请的空间已经是2的整数次幂，因此这里的位运算就替代了取余操作，提高了运算效率

接着判断 esize 的值，就是每个元素的占用内存的情况，如果不是 1 的话（一个字节），则需要对 off，size，len 分别乘以 esize。因为在使用 memcpy 时，需要以1个字节为单位进行数据拷贝。

举个例子：

接着使用：

l = min(len, size - off);

取得复制数据的长度 len 和 size-off(末尾的剩余空间) 之间的最小值，由是环形的缓冲区 ，所以在此处存在两种情况：

① 复制数据的长度len要小于size-off(末尾的剩余空间)：

② 复制数据的长度len要大于size-off(末尾的剩余空间)：

所以在这个地方，先去取一个 len 和 size-off 之间最小的那个值 l，即，先打算尝试把尾巴上能用的空间先用完，如果不够再去用从头部开始的剩余空间，这两个 memcpy 用得十分巧妙，不需要做额外的判断：

针对第一种情况(复制数据的长度len要小于size-off(末尾的剩余空间))：

第一条 memcpy：将 len 的数据 memcpy 到以 fifo->data （之前用过 kmalloc 分配的内存起始地址），加上 off 偏移（in 对应的偏移）的地方开始，copy 进 src 数据。

第二条 memcpy：len -l 等于0，memcpy 什么都不会做

针对第二种情况(复制数据的长度len要大于size-off(末尾的剩余空间))：

第一条 memcpy：和前一种情况一样

第二条 memcpy：len -l 大于0，将剩余的数据拷贝到fifo->data的头部

最终整个环形缓冲区的数据拷贝完成

最后在退出 kfifo_copy_in 后，在 __kfifo_in 函数中对 fifo->in 做累加：

fifo->in += len；

做完上述的拷贝后，对于上述两种情况，最后体现出来的是：

① 复制数据的长度len要小于等于size-off(末尾的剩余空间)：

② 复制数据的长度len要大于size-off(末尾的剩余空间)：

前面谈到的入队列都是out 在前，in在后，假设in在前，out在后呢？

复制数据的长度len要小于size-off(in和out之间的剩余空间)：

第一条 memcpy：将 len 的数据 memcpy 到以 fifo->data，加上 off 偏移（in 对应的偏移）的地方开始，copy 进 src 数据。

第二条 memcpy：len -l 等于0，memcpy 什么都不会做

复制数据的长度len要大于size-off(in和out之间的剩余空间)：

第一条 memcpy：将 len 的数据 memcpy 到以 fifo->data，加上 off 偏移（in 对应的偏移）的地方开始，copy 进 src 数据。

第二条 memcpy：len -l 等于0，memcpy 什么都不会做

到现在有人可能会有疑问，为什么在拷贝数据时为什么没有判断缓冲区是否满了呢？

其实这里调用了kfifo_unused函数计算剩余空间，如果剩余空间为0，虽然依旧会进入kfifo_copy_in函数，l = min(len, size - off)，但这里是取了剩余空间和需要拷贝数据的最小值，即为0，两个memcpy什么都不会做

注意：如果拷贝的数据量大于剩余空间，会用数据将剩余的空间填充满，返回值就是拷贝了多少字节的数据

2.6 kfifo出队列

出队列和入队列的逻辑是差不多的，这里就不多赘述了

调用顺序是__kfifo_out–》__kfifo_out_peek–》kfifo_copy_out

static void kfifo_copy_out(struct __kfifo *fifo, void *dst,unsigned int len, unsigned int off)
{unsigned int size = fifo->mask + 1;unsigned int esize = fifo->esize;unsigned int l;off &= fifo->mask;if (esize != 1) {off *= esize;size *= esize;len *= esize;}l = min(len, size - off);memcpy(dst, fifo->data + off, l);memcpy(dst + l, fifo->data, len - l);/** make sure that the data is copied before* incrementing the fifo->out index counter*/smp_wmb();
}unsigned int __kfifo_out_peek(struct __kfifo *fifo,void *buf, unsigned int len)
{unsigned int l;l = fifo->in - fifo->out;if (len > l)len = l;kfifo_copy_out(fifo, buf, len, fifo->out);return len;
}
EXPORT_SYMBOL(__kfifo_out_peek);unsigned int __kfifo_out(struct __kfifo *fifo,void *buf, unsigned int len)
{len = __kfifo_out_peek(fifo, buf, len);fifo->out += len;return len;
}

2.7 kfifo的判空和判满

源代码中并没有判断空和判断满的函数，但是对于入队列时有一个计算剩余空间的函数，前面也提到过

static inline unsigned int kfifo_unused(struct __kfifo *fifo)
{return (fifo->mask + 1) - (fifo->in - fifo->out);
}

它的判满主要是看in - out 的值是等于 mask (size - 1)

对于出队列时，在__kfifo_out_peek 函数内，有l = fifo->in - fifo->out，当in和out相等时，就表示空的，也就是empty

关于in/out溢出问题
kfifo中的in和out只会一直增加，因为它俩是无符号整数，因此最终就会回到0，即使到in出现溢出，在out之前，in-out的值仍然为无符号整数，依旧能表示已经使用的buffer的长度，这点无需担心。这正是这个机制的精妙之处。

2.8 关于内存屏障

尽管单消费者和单生产者能够对kfifo的进行无锁并发访问，但是在源码中，入队列和出队列依旧使用了smp_wmb()，也就是内存屏障

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。

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。

内存屏障	含义
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

所以在 kfifo_copy_in 和 kfifo_copy_out 的尾部都插入了 smp_wmb() 的写内存屏障的代码

它的作用是确保 fifo->in 和 fifo->out 增加 len 的这个操作在内存屏障之后，也就是保证了在 SMP 多处理器下，一定是先完成了 fifo 的内存操作，然后再进行变量的增加。以免被优化后的混乱访问，导致策略失败

不过，多个消费者、生产者的并发访问还是需要加锁限制

最后再提一句，pthread_mutex中不包含内存屏障，而spin_lock中包含内存屏障