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linux内核部件分析（一）——连通世界的list
在linux内核中，有一种通用的双向循环链表，构成了各种队列的基础。链表的结构定义和相关函数均在include/linux/list.h中，下面就来全面的介绍这一链表的各种API。
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
这是链表的元素结构。因为是循环链表，表头和表中节点都是这一结构。有prev和next两个指针，分别指向链表中前一节点和后一节点。
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) \
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
list->next = list;
list->prev = list;
}
在初始化的时候，链表头的prev和next都是指向自身的。
static inline void __list_add(struct list_head *new,
struct list_head *prev,
struct list_head *next)
{
next->prev = new;
new->next = next;
new->prev = prev;
prev->next = new;
}
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head, head->next);
}
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head->prev, head);
}
双向循环链表的实现，很少有例外情况，基本都可以用公共的方式来处理。这里无论是加第一个节点，还是其它的节点，使用的方法都一样。
另外，链表API实现时大致都是分为两层：一层外部的，如list_add、list_add_tail，用来消除一些例外情况，调用内部实现；一层是内部的，函数名前会加双下划线，如__list_add，往往是几个操作公共的部分，或者排除例外后的实现。
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
next->prev = prev;
prev->next = next;
}
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry->prev, entry->next);
entry->next = LIST_POISON1;
entry->prev = LIST_POISON2;
}
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry->prev, entry->next);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}
list_del是链表中节点的删除。之所以在调用__list_del后又把被删除元素的next、prev指向特殊的LIST_POSITION1和LIST_POSITION2，是为了调试未定义的指针。
list_del_init则是删除节点后，随即把节点中指针再次初始化，这种删除方式更为实用。
static inline void list_replace(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
new->next = old->next;
new->next->prev = new;
new->prev = old->prev;
new->prev->next = new;
}
static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
list_replace(old, new);
INIT_LIST_HEAD(old);
}
list_replace是将链表中一个节点old，替换为另一个节点new。从实现来看，即使old所在地链表只有old一个节点，new也可以成功替换，这就是双向循环链表可怕的通用之处。
list_replace_init将被替换的old随即又初始化。
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
__list_del(list->prev, list->next);
list_add(list, head);
}
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
__list_del(list->prev, list->next);
list_add_tail(list, head);
}
list_move的作用是把list节点从原链表中去除，并加入新的链表head中。
list_move_tail只在加入新链表时与list_move有所不同，list_move是加到head之后的链表头部，而list_move_tail是加到head之前的链表尾部。
static inline int list_is_last(const struct list_head *list,
const struct list_head *head)
{
return list->next == head;
}
list_is_last 判断list是否处于head链表的尾部。
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
return head->next == head;
}
static inline int list_empty_careful(const struct list_head *head)
{
struct list_head *next = head->next;
return (next == head) && (next == head->prev);
}
list_empty 判断head链表是否为空，为空的意思就是只有一个链表头head。
list_empty_careful 同样是判断head链表是否为空，只是检查更为严格。
static inline int list_is_singular(const struct list_head *head)
{
return !list_empty(head) && (head->next == head->prev);
}
list_is_singular 判断head中是否只有一个节点，即除链表头head外只有一个节点。
static inline void __list_cut_position(struct list_head *list,
struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
struct list_head *new_first = entry->next;
list->next = head->next;
list->next->prev = list;
list->prev = entry;
entry->next = list;
head->next = new_first;
new_first->prev = head;
}
static inline void list_cut_position(struct list_head *list,
struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
if (list_empty(head))
return;
if (list_is_singular(head) &&
(head->next != entry && head != entry))
return;
if (entry == head)
INIT_LIST_HEAD(list);
else
__list_cut_position(list, head, entry);
}
list_cut_position 用于把head链表分为两个部分。从head->next一直到entry被从head链表中删除，加入新的链表list。新链表list应该是空的，或者原来的节点都可以被忽略掉。可以看到，list_cut_position中排除了一些意外情况，保证调用__list_cut_position时至少有一个元素会被加入新链表。
static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
struct list_head *prev,
struct list_head *next)
{
struct list_head *first = list->next;
struct list_head *last = list->prev;
first->prev = prev;
prev->next = first;
last->next = next;
next->prev = last;
}
static inline void list_splice(const struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
if (!list_empty(list))
__list_splice(list, head, head->next);
}
static inline void list_splice_tail(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
if (!list_empty(list))
__list_splice(list, head->prev, head);
}
list_splice的功能和list_cut_position正相反，它合并两个链表。list_splice把list链表中的节点加入head链表中。在实际操作之前，要先判断list链表是否为空。它保证调用__list_splice时list链表中至少有一个节点可以被合并到head链表中。
list_splice_tail只是在合并链表时插入的位置不同。list_splice是把原来list链表中的节点全加到head链表的头部，而list_splice_tail则是把原来list链表中的节点全加到head链表的尾部。
static inline void list_splice_init(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
if (!list_empty(list)) {
__list_splice(list, head, head->next);
INIT_LIST_HEAD(list);
}
}
static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
if (!list_empty(list)) {
__list_splice(list, head->prev, head);
INIT_LIST_HEAD(list);
}
}
list_splice_init 除了完成list_splice的功能，还把变空了的list链表头重新初始化。
list_splice_tail_init 除了完成list_splice_tail的功能，还吧变空了得list链表头重新初始化。
list操作的API大致如以上所列，包括链表节点添加与删除、节点从一个链表转移到另一个链表、链表中一个节点被替换为另一个节点、链表的合并与拆分、查看链表当前是否为空或者只有一个节点。接下来，是操作链表遍历时的一些宏，我们也简单介绍一下。
#define list_entry(ptr, type, member) \
container_of(ptr, type, member)
list_entry主要用于从list节点查找其内嵌在的结构。比如定义一个结构struct A{ struct list_head list; }; 如果知道结构中链表的地址ptrList，就可以从ptrList进而获取整个结构的地址(即整个结构的指针) struct A *ptrA = list_entry(ptrList, struct A, list);
这种地址翻译的技巧是linux的拿手好戏，container_of随处可见，只是链表节点多被封装在更复杂的结构中，使用专门的list_entry定义也是为了使用方便。
#define list_first_entry(ptr, type, member) \
list_entry((ptr)->next, type, member)
list_first_entry是将ptr看完一个链表的链表头，取出其中第一个节点对应的结构地址。使用list_first_entry是应保证链表中至少有一个节点。
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \
pos = pos->next)
list_for_each循环遍历链表中的每个节点，从链表头部的第一个节点，一直到链表尾部。中间的prefetch是为了利用平台特性加速链表遍历，在某些平台下定义为空，可以忽略。
#define __list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
__list_for_each与list_for_each没什么不同，只是少了prefetch的内容，实现上更为简单易懂。
#define list_for_each_prev(pos, head) \
for (pos = (head)->prev; prefetch(pos->prev), pos != (head); \
pos = pos->prev)
list_for_each_prev与list_for_each的遍历顺序相反，从链表尾逆向遍历到链表头。
#define list_for_each_safe(pos, n, head) \
for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
pos = n, n = pos->next)
list_for_each_safe 也是链表顺序遍历，只是更加安全。即使在遍历过程中，当前节点从链表中删除，也不会影响链表的遍历。参数上需要加一个暂存的链表节点指针n。
#define list_for_each_prev_safe(pos, n, head) \
for (pos = (head)->prev, n = pos->prev; \
prefetch(pos->prev), pos != (head); \
pos = n, n = pos->prev)
list_for_each_prev_safe 与list_for_each_prev同样是链表逆序遍历，只是加了链表节点删除保护。
#define list_for_each_entry(pos, head, member) \
for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member); \
prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); \
pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))
list_for_each_entry不是遍历链表节点，而是遍历链表节点所嵌套进的结构。这个实现上较为复杂，但可以等价于list_for_each加上list_entry的组合。
#define list_for_each_entry_reverse(pos, head, member) \
for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member); \
prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head); \
pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))
list_for_each_entry_reverse 是逆序遍历链表节点所嵌套进的结构，等价于list_for_each_prev加上list_etnry的组合。
#define list_for_each_entry_continue(pos, head, member) \
for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member); \
prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); \
pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))
list_for_each_entry_continue也是遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表头开始，而是从结构指针的下一个结构开始，一直到链表尾部。
#define list_for_each_entry_continue_reverse(pos, head, member) \
for (pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member); \
prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head); \
pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))
list_for_each_entry_continue_reverse 是逆序遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表尾开始，而是从结构指针的前一个结构开始，一直到链表头部。
#define list_for_each_entry_from(pos, head, member) \
for (; prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); \
pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))
list_for_each_entry_from 是从当前结构指针pos开始，顺序遍历链表上的结构指针。
#define list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member) \
for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member), \
n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))
list_for_each_entry_safe 也是顺序遍历链表上节点嵌套的结构。只是加了删除节点的保护。
#define list_for_each_entry_safe_continue(pos, n, head, member) \
for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member), \
n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))
list_for_each_entry_safe_continue 是从pos的下一个结构指针开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。
#define list_for_each_entry_safe_from(pos, n, head, member) \
for (n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))
list_for_each_entry_safe_from 是从pos开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。
#define list_for_each_entry_safe_reverse(pos, n, head, member) \
for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member), \
n = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = n, n = list_entry(n->member.prev, typeof(*n), member))
list_for_each_entry_safe_reverse 是从pos的前一个结构指针开始，逆序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。
至此为止，我们介绍了linux中双向循环链表的结构、所有的操作函数和遍历宏定义。相信以后在linux代码中遇到链表的使用，不会再陌生。
linux内核部件分析（三）——记录生命周期的kref
kref是一个引用计数器，它被嵌套进其它的结构中，记录所嵌套结构的引用计数，并在计数清零时调用相应的清理函数。kref的原理和实现都非常简单，但要想用好却不容易，或者说kref被创建就是为了跟踪复杂情况下地结构引用销毁情况。所以这里先介绍kref的实现，再介绍其使用规则。
kref的头文件在include/linux/kref.h，实现在lib/kref.c。闲话少说，上代码。
struct kref {
atomic_t refcount;
};
可以看到，kref的结构中就包含一个atomic_t类型的计数值。atomic_t是原子类型，对其操作都要求是原子执行的，有专门的原子操作API执行，即使在多处理器间也保持原子性。使用atomic_t类型充当计数值，就省去了加锁去锁的过程。
void kref_set(struct kref *kref, int num)
{
atomic_set(&kref->refcount, num);
smp_mb();
}
kref_set 设置kref的初始计数值。具体计数值设置由原子操作atomic_set完成。之后还有一个smp_mb()是为了增加内存屏障，保证这一写操作会在之后的读写操作完成之前完成。
void kref_init(struct kref *kref)
{
kref_set(kref, 1);
}
kref_init 初始化kref的计数值为1。
void kref_get(struct kref *kref)
{
WARN_ON(!atomic_read(&kref->refcount));
atomic_inc(&kref->refcount);
smp_mb__after_atomic_inc();
}
kref_get递增kref的计数值。
int kref_put(struct kref *kref, void (*release)(struct kref *kref))
{
WARN_ON(release == NULL);
WARN_ON(release == (void (*)(struct kref *))kfree);
if (atomic_dec_and_test(&kref->refcount)) {
release(kref);
return 1;
}
return 0;
}
kref_put递减kref的计数值，如果计数值减为0，说明kref所指向的结构生命周期结束，会执行release释放函数。
所以说kref的API很简单，kref_init和kref_set基本都是初始时才会用到，平时常用的就是kref_get和kref_put。一旦在kref_put时计数值清零，立即调用结束函数。
kref设计得如此简单，是为了能灵活地用在各种结构的生命周期管理中。要用好它可不简单，好在Documentation/kref.txt中为我们总结了一些使用规则，下面简单翻译一下。
对于那些用在多种场合，被到处传递的结构，如果没有引用计数，bug几乎总是肯定的事。所以我们需要kref。kref允许我们在已有的结构中方便地添加引用计数。
你可以以如下方式添加kref到你的数据结构中：
struct my_data {
...
struct kref refcount;
...
};
kref可以出现在你结构中的任意位置。
在分配kref后你必须初始化它，可以调用kref_init，把kref计数值初始为1。
struct my_data *data;
data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);
if(!data)
return -ENOMEM;
kref_init(&data->refcount);
初始化之后，kref的使用应该遵循以下三条规则：
1） 如果你制造了一个结构指针的非暂时性副本，特别是当这个副本指针会被传递到其它执行线程时，你必须在传递副本指针之前执行kref_get：
kref_put(&data->refcount);
2）当你使用完，不再需要结构的指针，必须执行kref_put。如果这是结构指针的最后一个引用，release函数会被调用。如果代码绝不会在没有拥有引用计数的请求下去调用kref_get，在kref_put时就不需要加锁。
kref_put(&data->refcount, data_release);
3）如果代码试图在还没拥有引用计数的情况下就调用kref_get，就必须串行化kref_put和kref_get的执行。因为很可能在kref_get执行之前或者执行中，kref_put就被调用并把整个结构释放掉了。
例如，你分配了一些数据并把它传递到其它线程去处理：
void data_release(struct kref *kref)
{
struct my_data *data = container_of(kref, struct my_data, refcount);
kree(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);
}