理解bitops中的__set_bit及其应用

作者：可kay

原作网址：http://blog.chinaunix.net/uid-26746189-id-3379014.html

【代码基于Android JB】 

【参考：http://blog.youkuaiyun.com/lbmygf/article/details/6569580 】

位操作在kernel中很普遍，以下针对__set_bit函数为例来分析其原理：

在kernel/include/asm-generic/bitops/non-atomic.h头文件下有如下

1. /**
   
2.  * __set_bit - Set a bit in memory
   
3.  * @nr: the bit to set
   
4.  * @addr: the address to start counting from
   
5.  *
   
6.  * Unlike set_bit(), this function is non-atomic and may be reordered.
   
7.  * If it's called on the same region of memory simultaneously, the effect
   
8.  * may be that only one operation succeeds.
   
9.  */
   
10. static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
    
11. {
    
12.     unsigned long mask = BIT_MASK(nr);
    
13.     unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + BIT_WORD(nr);
    
14. 
    
15.     *p |= mask;
    
16. }

在kernel/include/linux/bitops.h中有BIT_MASK，BIT_WORD

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1. ......
   
2. #include <asm/types.h>
3. ......
   
4. #define BIT(nr)            (1UL << (nr))
   
5. #define BIT_MASK(nr)        (1UL << ((nr) % BITS_PER_LONG))
   
6. #define BIT_WORD(nr)        ((nr) / BITS_PER_LONG)

在kernel/arch/arm/include/asm/types.h中有BITS_PER_LONG

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1. #define BITS_PER_LONG 32

所以__set_bit函数内容等价表示如下：

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1. static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
   
2. {
   
3.     addr[nr/32] |= (1UL << (nr % 32)); 
   
4.     //或者addr[nr >> 5] |= (1UL << (nr & 31));
   
5. }

addr是一个类型为unsigned long(32 bits)的数组，通过nr/32得到要设置的比特位nr位于该数组中的哪一个unsigned long。
然后，通过( nr%32 )得到该unsigned long整数中是哪一位（第0位、第1位、...还是第31位?）需要设置。
最后，通过 addr[nr/32] |= (1UL << (nr % 32)) 设置该unsigned long整数中相应的比特位。

addr地址所指的32bit位图如下:
                              ________________
          0       <---     |_|_|_|_|_|_|_|_|...._|
          1       <---     |____________...._|
          2       <---     |____________...._|
          .        <---     |____________...._|
          .        <---     |____________...._|
       nr/32   <---     |____________...._|


理解了上述代码，则其它比特位操作API就容易懂了。
__clear_bit: 将addr所指的地址处的值第nr位清0，方法一般 addr[nr/32] & 11111011111
__change_bit: 将addr所指的地址处的值第nr位取反，方法一般 addr[nr/32]  ^ 00000100000
__test_and_set_bit：将addr所指的地址处的值第nr位置1，返回该bit原始值（0或1）；
__test_and_clear_bit：将addr所指的地址处的值第nr位清0，返回该bit原始值（0或1）；
__test_and_change_bit：将addr所指的地址处的值第nr位取反，返回该bit原始值（0或1）；
test_bit：即测试nr位是否被置位，置位返回1；



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比特位操作在代码中到处使用，灵活使用这些操作将能够大大提高系统的性能，以下举例说明：

1. Linux 2.6中进程调度中bitops的应用
   Linux 2.6内核重写了进程调度这部分，其时间复杂度为O(1)
   每个cpu有自己单独的运行队列runqueues，而每个运行队列中，把进程分为活动进程队列和过期进程队列。

1. struct prio_array {
   
2.        unsigned int nr_active; //当前队列进程数
   
3.        DECLARE_BITMAP(bitmap, MAX_PRIO+1);//位图，每一位表示对应级别的进程链表是否有进程
   
4.        struct list_head queue[MAX_PRIO]; //进程链表，共MAX_PRIO(140)级，进程按其优先级存放在这个链表中
   
5.    };

   每次调度时，从活动进程队列的最高优先级链表中选择第一个进程作为next。
   我们来看看它是如何选择的。
   我们先看prio_arry中的queue[MAX_PRIO]， 进程按优先级放入这个队列中，queue[0]中的全部进程其优先级为0,其优先级最高，queue[1]中的全部进程其优先级为1, 优先级的值越小优先运行。
   0~MAX_RT_PRIO(100)为实时进程的优先级，MAX_RT_PRIO~MAX_PRIO(140)为普通进程的优先级。

   bitmap为5个32位整数，它的前140位对应140个优先级，比如：bitmap的第5位置1，表示优先级为5的进程队列存在进程。
   idx = sched_find_first_bit(array->bitmap)就是查找bitmap中第一个为1的位，那么就可以获取当前优先级最高的进程队列。


2.  Linux中输入子系统中bitops的应用

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1. struct input_dev {
   
2.     const char *name;
   
3.     const char *phys;
   
4.     const char *uniq;
   
5.     struct input_id id;
6. 
   
7.     /*
        * 根据各种输入信号的类型来建立类型为unsigned long 的数组,
        * 数组的每1bit代表一种信号类型,
        * 内核中会对其进行置位或清位操作来表示事件的发生和被处理.
        */
8.     unsigned long propbit[BITS_TO_LONGS(INPUT_PROP_CNT)];
   
9. 
   
10.     unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)];
    
11.     unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];
    
12.     unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)];
    
13.     unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)];
    
14.     unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)];
    
15.     unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];
    
16.     unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];
    
17.     unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)];
    
18.     unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];
    
19. 
    
20. 
    
21. ...............................
    
22. }

3. Port中bitops的应用


4. VLAN(1-4094)中bitops的应用