Linux内核里的“智能指针”

pulbieup

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。
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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。
: |& n4 P7 ~  M" F+ Q+ v


如上图所示，最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就是为了解决类似的问题而生的。
+ Z9 A& I) R9 g$ ~& g) z
& y& C- u% a4 K% h+ }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：
2 n" e2 V' I6 T+ w, O

• void kref_init(struct kref *kref);
• void kref_get(struct kref *kref);
• int kref_put(struct kref *kref, void (*release) (struct kref *kref));
  

4 {. u9 y3 B- G. D. G3 S
8 e9 L  Q' Q* ~( l我们先通过一段伪代码来了解一下如何使用kref。
8 c! V9 j4 z) D& f( h
9 Y7 u2 D) b: m0 I# v5 @1 w

• 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);
• }
  8 F% {! c6 x9 s8 Z" e7 f

  f7 t% I, `( t: j; w
% }+ H) ]7 z4 t2 i5 u& f      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。

5 @# k. N' U$ o" D. m! g9 x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\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");
  2 A$ {+ E& Y, X) ]

6 ^, z" W* @' I" N  P1 m! U
* j% X& J* i1 _  s1 P3 X       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


8 \9 M6 q- M2 m0 T$ u此时，系统日志会打印出如下消息：
5 ^) w3 C% Z! l6 X) {, _. R
  @$ M0 ?8 n- f( X- w# @kreftest_init
  q6 H: F; ^) }8 e9 w4 i( I, b
# ?! F$ i  W8 v2 f. bkreftest_exit
& r. T  Q- R! Y9 y: g/ k, u
obj_release
- m) ]& t& x7 E# h0 B
* F/ s% }' g1 X3 c. y# v; ?这正是我们预期的结果。

! D& i6 m9 ?7 p0 e( d4 u, M
1 X' l7 R, c% G' s3 w
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。

xiaogegepcb

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Jame33

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。
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