Linux 内核里的“智能指针”
众所周知，C/C++语言本身并不支持垃圾回收机制，虽然语言本身具有极高的灵活性，但是当遇到大型的项目时，繁琐的内存管理往往让人痛苦异常。现代的C/C++类库一般会提供智能指针来作为内存管理的折中方案，比如STL的auto_ptr，Boost的Smart_ptr库，QT的QPointer家族，甚至是基于C语言构建的GTK+也通过引用计数来实现类似的功能。Linux内核是如何解决这个问题呢？同样作为C语言的解决方案，Linux内核采用的也是引用计数的方式。如果您更熟悉C++，可以把它类比为Boost的shared_ptr，或者是QT的QSharedPointer。 在Linux内核里，引用计数是通过 struct kref 结构来实现的。在介绍如何使用 kref 之前，我们先来假设一个情景。假如您开发的是一个字符设备驱动，当设备插上时，系统自动建立一个设备节点，用户通过文件操作来访问设备节点。
如上图所示，左边的绿色框图表示实际设备的插拔动作，中间黄色的框图表示内核中设备对象的生存周期，右边蓝色的框图表示用户程序系统调用的顺序。如果用户程序正在访问的时候设备突然被拔掉，驱动程序里的设备对象是否立刻释放呢？如果立刻释放，用户程序执行的系统调用一定会发生内存非法访问；如果要等到用户程序close之后再释放设备对象，我们应该怎么来实现？kref是为了解决类似的问题而生的。 kref的定义非常简单，其结构体里只有一个原子变量。 struct kref { atomic_t refcount; }; Linux内核定义了下面三个函数接口来使用kref： void kref_init(struct kref *kref); void kref_get(struct kref *kref); int kref_put(struct kref *kref， void (*release) (struct kref *kref)); 我们先通过一段伪代码来了解一下如何使用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); } 在这段代码里，我们定义了obj_release来作为释放设备对象的函数，当引用计数为0时，这个函数会被立刻调用来执行真正的释放动作。我们先在device_probe里把引用计数初始化为1，当用户程序调用open时，引用计数又会被加1，之后如果设备被拔掉，device_disconnect会减掉一个计数，但此时refcnt还不是0，设备对象obj并不会被释放，只有当close被调用之后，obj_release才会执行。 看完伪代码之后，我们再来实战一下。为了节省篇幅，这个实作并没有建立一个字符设备，只是通过模块的加载和卸载过程来对感受一下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 "); kfree(obj); } static int __init kreftest_init(void) { printk(KERN_INFO "kreftest_init "); obj = kmalloc(sizeof(*obj)， GFP_KERNEL); kref_init(&obj->refcnt); return 0; } static void __exit kreftest_exit(void) { printk(KERN_INFO "kreftest_exit "); kref_put(&obj->refcnt， obj_release); return; } module_init(kreftest_init); module_exit(kreftest_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); 通过kbuild编译之后我们得到kref_test.ko，然后我们顺序执行以下命令来挂载和卸载模块。 sudo insmod ./kref_test.ko sudo rmmod kref_test 此时，系统日志会打印出如下消息： kreftest_init kreftest_exit obj_release 这正是我们预期的结果。 有了kref引用计数，即使内核驱动写的再复杂，我们对内存管理也应该有信心了吧。 接下来主要介绍几点使用kref时的注意事项。Linux内核文档kref.txt罗列了三条规则，我们在使用kref时必须遵守。 规则一： If you make a non-temporary copy of a pointer， especially if it can be passed to another thread of execution， you must increment the refcount with kref_get() before passing it off； 规则二： When you are done with a pointer， you must call kref_put()； 规则三： If the code attempts to gain a reference to a kref-ed structure without already holding a valid pointer， it must serialize access where a kref_put() cannot occur during the kref_get()， and the structure must remain valid during the kref_get(). 对于规则一，其实主要是针对多条执行路径（比如另起一个线程）的情况。如果是在单一的执行路径里，比如把指针传递给一个函数，是不需要使用kref_get的。看下面这个例子： kref_init(&obj->ref); // do something here // ... kref_get(&obj->ref); call_something(obj); kref_put(&obj->ref); // do something here // ... kref_put(&obj->ref); 您是不是觉得call_something前后的一对kref_get和kref_put很多余呢？obj并没有逃出我们的掌控，所以它们确实是没有必要的。 但是当遇到多条执行路径的情况完全不一样了，我们必须遵守规则一。下面是摘自内核文档里的一个例子： struct my_data { . . struct kref refcount; . . }; void data_release(struct kref *ref) { struct my_data *data = container_of(ref， struct my_data， refcount); kfree(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); } int my_data_handler(void) { int rv = 0; struct my_data *data; struct task_struct *task; data = kmalloc(sizeof(*data)， GFP_KERNEL); if (!data) return -ENOMEM; kref_init(&data->refcount); kref_get(&data->refcount); task = kthread_run(more_data_handling， data， "more_data_handling"); if (task == ERR_PTR(-ENOMEM)) { rv = -ENOMEM; goto out; } . . do stuff with data here . out: kref_put(&data->refcount， data_release); return rv; } 因为我们并不知道线程more_data_handling何时结束，所以要用kref_get来保护我们的数据。 注意规则一里的那个单词“before”，kref_get必须是在传递指针之前进行，在本例里是在调用kthread_run之前要执行kref_get，否则，何谈保护呢？ 对于规则二我们不必多说了，前面调用了kref_get，自然要配对使用kref_put。 规则三主要是处理遇到链表的情况。我们假设一个情景，如果有一个链表摆在你的面前，链表里的节点是用引用计数保护的，那你如何操作呢？首先我们需要获得节点的指针，然后才可能调用kref_get来增加该节点的引用计数。根据规则三，这种情况下我们要对上述的两个动作串行化处理，一般我们可以用mutex来实现。请看下面这个例子： static DEFINE_MUTEX(mutex); static LIST_HEAD(q); struct my_data { struct kref refcount; struct list_head link; }; static struct my_data *get_entry() { struct my_data *entry = NULL; mutex_lock(&mutex); if (!list_empty(&q)) { entry = container_of(q.next， struct my_q_entry， link); kref_get(&entry->refcount); } mutex_unlock(&mutex); return entry; } static void release_entry(struct kref *ref) { struct my_data *entry = container_of(ref， struct my_data， refcount); list_del(&entry->link); kfree(entry); } static void put_entry(struct my_data *entry) { mutex_lock(&mutex); kref_put(&entry->refcount， release_entry); mutex_unlock(&mutex); } 这个例子里已经用mutex来进行保护了，假如我们把mutex拿掉，会出现什么情况？记住，我们遇到的很可能是多线程操作。如果线程A在用container_of取得entry指针之后、调用kref_get之前，被线程B抢先执行，而线程B碰巧又做的是kref_put的操作，当线程A恢复执行时一定会出现内存访问的错误，所以，遇到这种情况一定要串行化处理。 我们在使用kref的时候要严格遵循这三条规则，才能安全有效的管理数据。
