一，前言

金庸老爷子在《神雕侠侣》中说独孤求败的玄铁重剑时，说道“重剑无锋，大巧不工”。他说的是如果个人修养达到一定的阶段，“花石草木皆可为剑”，而不需要更多技巧。在Linux内核中从来不缺少简洁、优美、高效的实现代码，缺少的是发现这些美的眼睛和毅力。在Linux内核中，代码的简洁高效并不意味采用了失传很久的武林绝技，恰恰相反，它们往往通过最基本的知识和数据结构来实现完美的代码，而kfifo可以说就是其中的一个典范。

这里用“大巧不工”来形容Linux中的无锁环形队列显然不合适，原因在于：无锁环形队列属于精雕细琢，大道至简、匠心独运，简洁而不简单。它使用最基本的技术知识实现了最重要的功能。下面我们便一睹其芳容。

二，Kfifo简介

本文分析的源代码版本

2.6.12

kfifo的头文件

linux-2.6.12\include\linux\kfifo.h

kfifo的源文件

linux-2.6.12\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。

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并行无锁技术的由来：

当前高性能的服务器软件(例如HTTP加速器)大多都运行在多核服务器上，当前的硬件可以支持32、 64甚至更多的CPU，在这种高并发的环境下，锁竞争机制有时候比数据拷贝、上下文切换等更伤害系统的性能，因此在多核环境下，需要把重要的数据结构从锁的保护下移到无锁环境中，以此来提高软件的性能。

所以，现在无锁机制越来越流行，在不同的环境中使用不同的无锁队列可以节省开销，提高程序效率。

[1] 摘自《深入浅出DPDK》第四章同步互斥机制：4.4.1 Linux内核无锁环形缓冲

下面我们说一下kfifo的结构：

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

kfifo结构中每个字段的含义：

buffer

用于存放数据的缓存

size

缓冲区空间的大小，要求为2的幂次方

in

指向buffer中队头

out

指向buffer中的队尾

lock

用来同步多个生产者、多个消费者的情形

Kfifo无锁队列的应用注意事项：

单生产者/单消费者无需使用锁进行同步未使用kfifo_reset()只有在消费者端使用了kfifo_reset_out()

以上三种条件都满足的情况下可以使用kfifo无锁队列。相反，如果存在多个生产者或者多个消费者，则可以通过锁来进行同步：

多个生产者一个消费者模式，生产者端加锁同步单个生产者多个消费者模式。消费者端加锁同步

Kfifo作为一个基本FIFO结构，包括入队函数___kfifo_put、出队函数__kfifo_get()等基本操作。下面来一一说明。

三，Kfifo初始化

Kfifo的初始化是指为kfifo分配空间、初始化kfifo中的各项参数等操作。

 /**  * kfifo_alloc - allocates a new FIFO and its internal buffer  * @size: the size of the internal buffer to be allocated.  * @gfp_mask: get_free_pages mask, passed to kmalloc()  * @lock: the lock to be used to protect the fifo buffer  *  * The size will be rounded-up to a power of 2.  */ struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, unsigned int __nocast gfp_mask, spinlock_t *lock) {     unsigned char *buffer;     struct kfifo *ret;      /*      * round up to the next power of 2, since our 'let the indices      * wrap' tachnique works only in this case.      */     if (size & (size - 1)) {/*如果不是2的幂次方，则向上取到2的幂次方*/         BUG_ON(size > 0x80000000);         size = roundup_pow_of_two(size);     } ​     buffer = kmalloc(size, gfp_mask);     if (!buffer)         return ERR_PTR(-ENOMEM); ​     ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock); ​     if (IS_ERR(ret))         kfree(buffer); ​     return ret; }

在这个kfifo_alloc()函数中，要求size需要为2的幂次方，如何实现高效的判断呢？

在二进制中，2的幂次方很容易表示：一个数只有一个bit上是1，其余全为0，例如：

十进制数表示

二进制表示

是否为2的幂次方

8

0000 1000

是

30

0001 1110

否

666

001010011010

否

1024

0100 0000 0000

是

2000

0111 1101 0000

否

4096

0001 0000 0000 0000

是

也就是说，如果我们可以判断：一个数的二进制上只有一个bit位为1，那么这个数肯定为2的幂次方。问题发生了等价转换，那么我们如何判断 一个数的二进制中包含几个1呢？？？。【这是面试中的一个常见问题和技巧】。方法就是：x & (x -1)==0, 则这个数二进制中只有一个1，否则包含多个1。通常使用这个方法来计算一个数中包含几个1。

[2] 《剑指offer》面试题15：二进制中1的个数

 /*求一个数的二进制中1的个数*/ int numberof1(int n) {     int count = 0;     while(n){         count++;         n = n & (n-1);     }     return count; }

简单地说：x & (n -1)会将x二进制中最低位上的1置为0(最后一个1置为0)。因此如果n&(n-1)==0，那么说明这个数二进制中只有一个bit位为1，因此肯定是2的幂次方。

3.2 求不小于某个数2的整数次幂

我看还是直接看内核实现吧：

static __inline__ int generic_fls(int x) {     int r = 32; ​     if (!x)         return 0;     if (!(x & 0xffff0000u)) {          x <<= 16;         r -= 16;     }     if (!(x & 0xff000000u)) {         x <<= 8;         r -= 8;     }     if (!(x & 0xf0000000u)) {         x <<= 4;         r -= 4;     }     if (!(x & 0xc0000000u)) {         x <<= 2;         r -= 2;     }     if (!(x & 0x80000000u)) {         x <<= 1;         r -= 1;1     }     return r; } ​ static inline unsigned long __attribute_const__ roundup_pow_of_two(unsigned long x) {     return (1UL << generic_fls(x - 1)); }

这个效率嘛？ 由于全是位运算，肯定为求模、取余等四则运算效率要高, 不能放过任何一点可以优化的地方。至于这样做的原理，自己品品吧，也是相当经典的存在。

 root@ubantu:/home/toney# ./a.out  12 --- output=4 16 --- output=5 24 --- output=5 32 --- output=6 128 --- output=8 1024 --- output=11 1400 --- output=11 2040 --- output=11

为了使用位运算，快， 快，不择手段的快

4. Kfifo入队和出队

__kfifo_put是Kfifo的入队函数，源码实现如下：

 unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,              unsigned char *buffer, unsigned int len) {     unsigned int l;          len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);          /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */     l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));     memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l); ​     /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */     memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l); ​     fifo->in += len; ​     return len; }

需要说明的是Linux 2.6.12版本的内核实现中并没有使用内存屏障，而在后续版本中添加了内存屏障，它是实现无锁队列的核心和关键。这里我们就按照Linux2.6.12版本实现来说明简单原理。

第6行 (in - out)表示使用的空间，size - (in - out)则表示剩余的空间。通过min()来防止越界。第9行 in & (size - 1)表示in落在size空间指针的位置，作用相当于in%size, 但位运算效率更高。通过min获取fifo右侧剩余空间大小，防止越界第10行 将数据拷贝到fifo右侧剩余空间第13行 len-l表示右侧空间不足时，左侧需要填充的数据长度第15行 移动in指针位置

__kfifo_put( )是Kfifo的出队函数，源码实现如下：

 unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo,              unsigned char *buffer, unsigned int len) {     unsigned int l; ​     len = min(len, fifo->in - fifo->out); ​     /* first get the data from fifo->out until the end of the buffer */     l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));     memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l); ​     /* then get the rest (if any) from the beginning of the buffer */     memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l); ​     fifo->out += len; ​     return len; }

连个if都不想用，真是太抠门了，哎。你多少if-else判断下in,out,len的关系，能让我舒服点呀！！！

4.1 Kfifo右侧入队

当fifo右侧剩余的空间充足时，即size - in%size > len时，直接将数据填充到右侧即可，位置为[in, in+len]。

 l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1))); memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);

in % size如何高效表示呢？ 对，就是in & (size - 1)。这里有一个前提：那就是需要size是2的幂次方。Why ?

首先， in % size的范围为[0, size-1]; in & (size -1)的范围为[0, size-1]。

其次，它的原理是：size为2的幂次方，size -1则表示【0，size-1】每一个bit位都是1，可以得到该范围的所有值，这也是要求size为2的幂次方的原因。

最后，两者在本质上是等价的，但是in & (size -1)只进行位操作，效率高很多。

4.2 Kfifo右侧+左侧入队

当右侧长度不够入队长度时，需要在kfifo左侧入队，此时kfifo左右的范围为【0，len-l】，左侧的范围为【in，in+l】。

 /* first put the data starting from fifo->in to buffer end */ l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1))); memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l); ​ /* then put the rest (if any) at the beginning of the buffer */ memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);

首先看一个例子：

 void main() {     unsigned int a = 0xfffffffa;     unsigned int b = a + 10;     unsigned int c = 4;     printf("a = %u\n",a);     printf("b = %u\n",b);     printf("b - a =%d\n",b-a);     printf("c - a =%d\n",c-a); ​ }

结果如下：

 root@ubantu:/home/toney# gcc kfifo.c  root@ubantu:/home/toney# ./a.out  a = 4294967290 b = 4 b - a =10 c - a =10 root@ubantu:/home/toney# 

解释如下：

 a = 4294967290; b = 4; //a + 10溢出4，--> 0x1 00 00 00 04 但是unsigned int为4字节共计32位，因此最高位无法获取，b只能获取后32bit,即0x00 00 00 04 b - a = -4294967285;即 0x1 FF FF FF F6 6 : 0110  --> 反码 1001 = 9 -4294967285在内存中的存储方式为：补码=反码+1，即0x1 00 00 00 09 +1 = 0x1 00 00 00 0a ​ 因此b - a = 10; ​

看完kfifo的实现，最大的感觉就是？ 不不，文明人说文明话，妙，是真的妙不可言。如果说这代码是我或者同事写的，我会觉得里面会不会有很多bug,但是如果为内核大佬写的，我觉得没有，就是没有，真的没有呀！！！