linux機制之IDR(转)

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一．前言

在linux中有idr，關於idr的用處並不是清楚。查看網上所述知所谓IDR，其实就是和身份证的含义差不多，我们知道，每个人有一个身份证，身份证只是一串数字，从数字，我们就能知道这个人的信息。同样道理，idr的要完成的任务是给要管理的对象分配一个数字，可以通过这个数字找到要管理的对象。類似于為內核任何對象創建一個普通的id，通過該id可以很快的索引到該對象。在該文中將詳細講述linux中idr的具體實現。

二．idr數據結構

在linux中關於idr有兩個很重要的數據結構1. struct idr 2. struct idr_layer，下面具體來看這兩個數據結構

struct idr_layer {

unsigned long bitmap; --標示id在ary中的位置

struct idr_layer *ary[1<<IDR_BITS]; --用於保存對象的地址

int count; --當該值為0時，釋放他

int layer; --距離葉子的距離

struct rcu_head rcu_head; --這個不管

};

struct idr {

struct idr_layer *top; --標示使用的idr_layer

struct idr_layer *id_free; --連接沒有使用的idr_layer

int layers; --拒絕幷發

int id_free_cnt; --空閒的idr_layer計數

spinlock_t lock;

};

三．定義idr

#define IDR_INIT(name) \

{ \

.top = NULL, \

.id_free = NULL, \

.layers = 0, \

.id_free_cnt = 0, \

.lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock), \

}

#define DEFINE_IDR(name) struct idr name = IDR_INIT(name)

通過宏定義定義一個名為name的idr實體。

四．具體使用idr

在開始idr具體使用之前，需要說明幾個宏的意思

在32位機下IDR_BITS為5

#define IDR_SIZE (1 <<IDR_BITS) =32即0x20

#define IDR_MASK ((1 << IDR_BITS)-1) =31即0x1F

#define MAX_ID_SHIFT (sizeof(int)*8 - 1) =31

#define MAX_ID_BIT (1U << MAX_ID_SHIFT) =0x100000000

#define MAX_ID_MASK (MAX_ID_BIT - 1) =0xFFFFFFFF

#define MAX_LEVEL (MAX_ID_SHIFT + IDR_BITS - 1) / IDR_BITS =7

#define IDR_FREE_MAX MAX_LEVEL + MAX_LEVEL =14

上面的宏定義中比較難以理解的是MAX_LEVEL爲什麽是7，其實很好理解，由於我們是32位機，其可以使用的id號時0xFFFFFFFF，而我們idr_layer一層最多為0x1F，故最少需要7level才能將一個id號瓜分完成。也許空口在這兒說，可能一層霧水。下面根據具體的示例就好理解很多。

4.1 idr_pre_get

int idr_pre_get(struct idr *idp, gfp_t gfp_mask)

{

while (idp->id_free_cnt < IDR_FREE_MAX) {

struct idr_layer *new;

new = kmem_cache_zalloc(idr_layer_cache, gfp_mask);

if (new == NULL)

return (0);

move_to_free_list(idp, new);

}

return 1;

}

上面的重點是move_to_free_list。

move_to_free_list-> __move_to_free_list

static void __move_to_free_list(struct idr *idp, struct idr_layer *p)

{

p->ary[0] = idp->id_free;

idp->id_free = p;

idp->id_free_cnt++;

}

上面的函數很好理解，下圖會很好的闡述上面函數的意思

當idr_pre_get結束時id_free_count=14.其實該函數的本質是開闢idr_layer內存。

4.2 idr_get_new

分配一個新的idr entry，返回值存儲在id中。

int idr_get_new(struct idr *idp, void *ptr, int *id)

{

int rv;

rv = idr_get_new_above_int(idp, ptr, 0);

if (rv < 0)

return _idr_rc_to_errno(rv);

*id = rv;

return 0;

}

下面就是按圖索驥，一步一步去分析idr的內幕。

static int idr_get_new_above_int(struct idr *idp, void *ptr, int starting_id)

{

struct idr_layer *pa[MAX_LEVEL];

int id;

id = idr_get_empty_slot(idp, starting_id, pa);--獲得一個空位

if (id >= 0) {

rcu_assign_pointer(pa[0]->ary[id & IDR_MASK], (struct idr_layer *)ptr);

pa[0]->count++;

idr_mark_full(pa, id);

}

return id;

}

也許單看這些函數會很枯燥，我們來假設一情況，結合具體的內容會好理解很多。在某一驅動中，調用idr_pre_get后第一次調用下面函數。以starting_id為0。

static int idr_get_empty_slot(struct idr *idp, int starting_id,struct idr_layer **pa)

{

struct idr_layer *p, *new;

int layers, v, id;

unsigned long flags;

id = starting_id;

build_up:

p = idp->top; --p=NULL

layers = idp->layers; -- layers = 0

if (unlikely(!p)) {

if (!(p = get_from_free_list(idp))) –從上面的id_free上卸下一個idr_layer,第一次使用。

return -1;

p->layer = 0;

layers = 1;

}

//當id為0時，直接跳過下面的while

while ((layers < (MAX_LEVEL - 1)) && (id >= (1 << (layers*IDR_BITS)))) {

layers++;

if (!p->count) {

p->layer++;

continue;

}

if (!(new = get_from_free_list(idp))) {

spin_lock_irqsave(&idp->lock, flags);

for (new = p; p && p != idp->top; new = p) {

p = p->ary[0];

new->ary[0] = NULL;

new->bitmap = new->count = 0;

__move_to_free_list(idp, new);

}

spin_unlock_irqrestore(&idp->lock, flags);

return -1;

}

new->ary[0] = p;

new->count = 1;

new->layer = layers-1;

if (p->bitmap == IDR_FULL)

__set_bit(0, &new->bitmap);

p = new;

}

rcu_assign_pointer(idp->top, p); --idp->top = p;

idp->layers = layers; --idp->layers = 1

v = sub_alloc(idp, &id, pa); --這個是個關鍵

if (v == IDR_NEED_TO_GROW)

goto build_up;

return(v);

}

從free_list上獲得一個未使用的idr_layer

static struct idr_layer *get_from_free_list(struct idr *idp)

{

struct idr_layer *p;

if ((p = idp->id_free)) {

idp->id_free = p->ary[0];

idp->id_free_cnt--;

p->ary[0] = NULL;

}

return(p);

}

Sub_alloc函數比較難懂，不過也好理解。

static int sub_alloc(struct idr *idp, int *starting_id, struct idr_layer **pa)

{

int n, m, sh;

struct idr_layer *p, *new;

int l, id, oid;

unsigned long bm;

id = *starting_id; --id = 0；

restart:

p = idp->top; --p應該為第一個可用的idr_layer

l = idp->layers; --l = 1;

pa[l--] = NULL;

while (1) {

n = (id >> (IDR_BITS*l)) & IDR_MASK; --n = 0

bm = ~p->bitmap; --bm = 0xFFFFFFFF

m = find_next_bit(&bm, IDR_SIZE, n); --查找第一個bit為1的位，這裡m = 1

if (m == IDR_SIZE) {

l++;

oid = id;

id = (id | ((1 << (IDR_BITS * l)) - 1)) + 1;

if (!(p = pa[l])) {

*starting_id = id;

return IDR_NEED_TO_GROW;

}

sh = IDR_BITS * (l + 1);

if (oid >> sh == id >> sh)

continue;

else

goto restart;

}

if (m != n) {

sh = IDR_BITS*l;

id = ((id >> sh) ^ n ^ m) << sh;

}

if ((id >= MAX_ID_BIT) || (id < 0))

return IDR_NOMORE_SPACE;

if (l == 0) --現在l=0，直接跳出while

break;

if (!p->ary[m]) {

new = get_from_free_list(idp);

if (!new)

return -1;

new->layer = l-1;

rcu_assign_pointer(p->ary[m], new);

p->count++;

}

pa[l--] = p;

p = p->ary[m];

}

pa[l] = p; --此時的pa[0] = idr_layer1

return id;

}

在idr_get_new_above_int函數中

rcu_assign_pointer(pa[0]->ary[id & IDR_MASK], (struct idr_layer *)ptr);

pa[0]->count++;

idr_mark_full(pa, id);

即*idr_lay1->ary[0] = (struct idr_layer *)ptr , idr_lay1->count = 1;同時將bitmap中對應id的bit位設置為1.

上面主要是針對第一次調用idr_get_new情況的分析。