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Linux内核bitmap组件详解

news 2025/8/28 10:07:34

1. 引言

在Linux内核开发中，bitmap（位图）是一种极为常用的数据结构。它以紧凑的方式用一组二进制位（bit）来表示大量的布尔状态，广泛应用于资源分配、状态管理、权限控制等场景。Linux内核为bitmap的操作提供了高效、丰富的API，主要实现位于bitmap.c和bitmap.h。本文将系统性地介绍内核bitmap组件的功能、设计思想、核心实现、典型应用及其优化策略，帮助读者深入理解其原理与工程价值。记得刚参加工作那会，傻傻的在那里自己造轮子，果然开源linux才是最大的宝藏来源。

2. bitmap的基本概念与应用场景

2.1 基本概念

bitmap是一种用一组连续的bit位来表示集合元素状态的数据结构。每一位（bit）可以表示一个对象的“有/无”、“占用/空闲”、“允许/禁止”等二值状态。与数组、链表等结构相比，bitmap在存储空间和操作效率上具有显著优势，尤其适合大规模、稀疏、二值状态的场景。

2.2 典型应用场景

物理/虚拟内存页管理（页帧分配器）
进程PID分配
文件系统inode、block分配
设备资源分配（如PCI中断号、DMA通道）
权限掩码、状态标记
任务调度、CPU亲和性掩码

3. bitmap的内核实现结构

在内核中，bitmap通常用unsigned long数组实现，每个unsigned long包含若干bit（32位或64位，取决于平台）。头文件include/linux/bitmap.h定义了相关类型和宏：

typedef unsigned long *bitmap_t;
#define BITS_PER_LONG (sizeof(unsigned long) * 8)
#define BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits) ...

BITS_TO_LONGS(bits) 计算需要多少个 unsigned long 才能容纳 bits 个 bit。例如，100 位 bitmap 在 64 位系统上需要 2 个 unsigned long。

bitmap的分配有两种方式：

静态分配：如DECLARE_BITMAP(name, nbits)，适用于编译期已知大小的场景。
动态分配：如bitmap_zalloc(nbits, gfp_flags)，适用于运行时动态需求。

释放时使用bitmap_free()。

4. bitmap 的核心 API 及实现

4.1 基本操作

4.1.1 bitmap_zero

将 bitmap 的所有位清零。

static inline void bitmap_zero(unsigned long *dst, unsigned int nbits)
{if (small_const_nbits(nbits))*dst = 0UL;else {memset(dst, 0, bitmap_size(nbits));}
}

对小型 bitmap 直接赋值，大型 bitmap 用 memset。

4.1.2 bitmap_fill

将 bitmap 的所有位置为 1。

static inline void bitmap_fill(unsigned long *dst, unsigned int nbits)
{unsigned int nlongs = BITS_TO_LONGS(nbits);if (!small_const_nbits(nbits)) {unsigned int len = (nlongs - 1) * sizeof(unsigned long);memset(dst, 0xff,  len);}dst[nlongs - 1] = BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits);
}

先将所有 unsigned long 填满，再处理最后一个 long 的多余位。

4.1.3 bitmap_set / bitmap_clear

批量置位或清零指定区间的 bit。

static inline void bitmap_set(unsigned long *map, unsigned int start, unsigned int nbits)
{if (__builtin_constant_p(nbits) && nbits == 1)__set_bit(start, map);else if (small_const_nbits(start + nbits))*map |= GENMASK(start + nbits - 1, start);else__bitmap_set(map, start, nbits);
}

对单个位或小范围优化，批量操作调用底层实现。

4.1.4 bitmap_and / bitmap_or / bitmap_equal

支持集合的与、或、等于等操作。

static inline bool bitmap_and(unsigned long *dst, const unsigned long *src1,const unsigned long *src2, unsigned int nbits)
{if (small_const_nbits(nbits))return (*dst = *src1 & *src2 & BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits)) != 0;return __bitmap_and(dst, src1, src2, nbits);
}

对小型 bitmap 直接操作，大型 bitmap 调用循环实现。

4.1.5 bitmap_weight

统计 bitmap 中 1 的个数（即集合大小）。

static inline unsigned int bitmap_weight(const unsigned long *src, unsigned int nbits)
{if (small_const_nbits(nbits))return hweight_long(*src & BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits));return __bitmap_weight(src, nbits);
}

4.1.6 bitmap_empty / bitmap_full

判断 bitmap 是否全为 0 或全为 1。

static inline bool bitmap_empty(const unsigned long *src, unsigned int nbits)
{if (small_const_nbits(nbits))return ! (*src & BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits));return find_first_bit(src, nbits) == nbits;
}

4.1.7 bitmap_alloc / bitmap_zalloc / bitmap_free

动态分配、清零分配和释放 bitmap。

static inline unsigned long *bitmap_alloc(unsigned int nbits, gfp_t flags)
{return malloc(bitmap_size(nbits));
}
static inline unsigned long *bitmap_zalloc(int nbits)
{return calloc(1, bitmap_size(nbits));
}
static inline void bitmap_free(unsigned long *bitmap)
{free(bitmap);
}

4.2 进阶操作

4.2.1 bitmap_scnprintf

将 bitmap 以字符串形式输出，便于调试和日志。

size_t bitmap_scnprintf(unsigned long *bitmap, unsigned int nbits,char *buf, size_t size);

输出如 "0-3,5,7-9"，表示哪些 bit 被置位。

4.2.3 bitmap_intersects

判断两个 bitmap 是否有交集。

static inline bool bitmap_intersects(const unsigned long *src1,const unsigned long *src2,unsigned int nbits)
{if (small_const_nbits(nbits))return ((*src1 & *src2) & BITMAP_LAST_WORD_MASK(nbits)) != 0;elsereturn __bitmap_intersects(src1, src2, nbits);
}