Linux內核里的智能指針

作者: wwang 來源: 博客園發布時間: 2010-12-06 10:22 閱讀: 1652 次推薦: 0 原文鏈接 [收藏]

　　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_release\n");
        kfree(obj);
}

static int __init kreftest_init(void)
{
        printk(KERN_INFO "kreftest_init\n");
        obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL);
        kref_init(&obj->refcnt);
        return 0;
}

static void __exit kreftest_exit(void)
{
        printk(KERN_INFO "kreftest_exit\n");
        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。