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kfifo

news 2025/10/16 17:32:07

1. kfifo (内核 FIFO)

kfifo 是 Linux 内核中一个通用、无锁（在单读者单写者场景下）的环形缓冲区实现。它设计精巧，提供了简洁而强大的 API。

主要特性：

无锁（特定条件下）：当只有一个生产者和一个消费者时，kfifo 是无锁的，性能极高。这是通过分离生产者和消费者的索引指针实现的。
内存高效：其内部缓冲区的大小通常要求是 2 的幂次方。这使得可以通过位运算（如 & (size - 1)）来高效计算回绕索引，而不是昂贵的取模运算。
健壮的 API：提供了用于入队（Enqueue）和出队（Dequeue）的核心函数，这些函数会返回成功操作的数据量，便于处理。
动态和静态分配：支持在编译时静态分配或在运行时动态分配内存。
处理任意大小数据：可以处理任意字节序列，而不仅仅是固定大小的元素。

核心 API（位于 <linux/kfifo.h>）:

初始化和销毁
- int kfifo_alloc(struct kfifo *fifo, unsigned int size, gfp_t gfp_mask)：动态分配并初始化一个 kfifo。
- void kfifo_free(struct kfifo *fifo)：释放由 kfifo_alloc 分配的 fifo。
- void kfifo_init(struct kfifo *fifo, void *buffer, unsigned int size)：使用用户提供的预分配缓冲区来初始化 kfifo。
入队（写操作）
- unsigned int kfifo_in(struct kfifo *fifo, const void *buf, unsigned int len)：将数据从用户缓冲区 buf 写入 fifo，最多写入 len 字节。返回实际写入的字节数。
- int kfifo_in_spinlocked(struct kfifo *fifo, const void *buf, unsigned int n, spinlock_t *lock)：在需要自旋锁保护的情况下使用的变体。
出队（读操作）
- unsigned int kfifo_out(struct kfifo *fifo, void *buf, unsigned int len)：从 fifo 中读取数据到用户缓冲区 buf，最多读取 len 字节。返回实际读取的字节数。数据会被从 fifo 中移除。
- unsigned int kfifo_out_peek(struct kfifo *fifo, void *buf, unsigned int len, unsigned offset)：窥视 fifo 中的数据而不将其移除。
- int kfifo_out_spinlocked(struct kfifo *fifo, void *buf, unsigned int n, spinlock_t *lock)：在需要自旋锁保护的情况下使用的变体。
状态查询
- unsigned int kfifo_size(struct kfifo *fifo)：返回 fifo 的总容量。
- unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo)：返回 fifo 中当前已用的字节数。
- unsigned int kfifo_avail(struct kfifo *fifo)：返回 fifo 中剩余的可用空间字节数。
- bool kfifo_is_empty(struct kfifo *fifo) / bool kfifo_is_full(struct kfifo *fifo)：检查 fifo 是否为空或满。

使用示例：

#include <linux/kfifo.h>#define MY_FIFO_SIZE 1024 // 必须是 2 的幂struct my_device_data {struct kfifo data_fifo;spinlock_t fifo_lock; // 如果有多生产者/多消费者则需要
};static int my_probe_function(struct device *dev) {struct my_device_data *data = devm_kzalloc(dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);int ret;// 动态分配并初始化 kfiforet = kfifo_alloc(&data->data_fifo, MY_FIFO_SIZE, GFP_KERNEL);if (ret) {return ret;}spin_lock_init(&data->fifo_lock);// ... 其他初始化return 0;
}// 生产者端
ssize_t my_write_function(struct my_device_data *data, const char __user *user_buf, size_t count) {unsigned int copied;unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&data->fifo_lock, flags);copied = kfifo_in(&data->data_fifo, user_buf, count);spin_unlock_irqrestore(&data->fifo_lock, flags);// 可能唤醒等待数据的读者wake_up_interruptible(&my_read_queue);return copied;
}// 消费者端
ssize_t my_read_function(struct my_device_data *data, char __user *user_buf, size_t count) {unsigned int copied;unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&data->fifo_lock, flags);copied = kfifo_out(&data->data_fifo, user_buf, count);spin_unlock_irqrestore(&data->fifo_lock, flags);return copied;
}

2. 其他环形缓冲区实现

除了通用的 kfifo，内核中还有其他一些特定用途的 Ring Buffer：

perf 子系统：Linux 的性能分析（perf）子系统使用了一个高度优化的环形缓冲区（kernel/events/ring_buffer.c）来将性能计数器数据从内核态高效地传递到用户态。
Trace Ring Buffer：内核的 Ftrace 跟踪框架使用了自己实现的环形缓冲区来存储跟踪事件。这个实现非常复杂，考虑了每 CPU 缓冲区、时间戳、并发写入等。
DMA 环形缓冲区：许多网络和存储设备驱动使用环形缓冲区来描述 DMA（直接内存访问）描述符环。例如，在网卡驱动中，经常可以看到 rx_ring 和 tx_ring，用于管理接收和发送的数据包缓冲区。

总结

实现	主要用途	特点
kfifo	通用环形缓冲区	无锁（SPSP场景）、API简洁、内存高效，是大多数情况下的首选
perf ring buffer	性能事件数据	内核到用户空间的高性能数据传递，与 `perf` 工具紧密集成
trace ring buffer	内核跟踪	每 CPU 缓冲区，用于系统调试和性能分析
DMA descriptor ring	设备驱动（网络、存储）	管理硬件 DMA 操作，与设备寄存器交互