内核通知链原理及机制
来源:互联网 发布:js判断对象是否为null 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 06:40
转自 http://blog.chinaunix.net/uid-25871104-id-3086446.html
一、概念:
大多数内核子系统都是相互独立的,因此某个子系统可能对其它子系统产生的事件感兴趣。为了满足这个需求,也即是让某个子系统在发生某个事件时通知其它的子系统,Linux内核提供了通知链的机制。通知链表只能够在内核的子系统之间使用,而不能够在内核与用户空间之间进行事件的通知。通知链表是一个函数链表,链表上的每一个节点都注册了一个函数。当某个事情发生时,链表上所有节点对应的函数就会被执行。所以对于通知链表来说有一个通知方与一个接收方。在通知这个事件时所运行的函数由被通知方决定,实际上也即是被通知方注册了某个函数,在发生某个事件时这些函数就得到执行。其实和系统调用signal的思想差不多。
二、数据结构:
通知链有四种类型:
- 原子通知链( Atomic notifier chains):通知链元素的回调函数(当事件发生时要执行的函数)只能在中断上下文中运行,不允许阻塞。对应的链表头结构:
struct atomic_notifier_head
{
spinlock_tlock;
structnotifier_block *head;
};
- 可阻塞通知链( Blocking notifier chains):通知链元素的回调函数在进程上下文中运行,允许阻塞。对应的链表头:
struct blocking_notifier_head
{
structrw_semaphore rwsem;
structnotifier_block *head;
};
- 原始通知链( Raw notifier chains):对通知链元素的回调函数没有任何限制,所有锁和保护机制都由调用者维护。对应的链表头:
struct raw_notifier_head
{
structnotifier_block *head;
};
- SRCU 通知链( SRCU notifier chains ):可阻塞通知链的一种变体。对应的链表头:
struct srcu_notifier_head
{
struct mutexmutex;
structsrcu_struct srcu;
structnotifier_block *head;
};
通知链的核心结构:
struct notifier_block
{
int(*notifier_call)(struct notifier_block *, unsigned long, void*);
structnotifier_block *next;
intpriority;
};
其中notifier_call是通知链要执行的函数指针,next用来连接其它的通知结构,priority是这个通知的优先级,同一条链上的notifier_block{}是按优先级排列的。内核代码中一般把通知链命名为xxx_chain,xxx_nofitier_chain这种形式的变量名。
三、运作机制:
通知链的运作机制包括两个角色:
- 被通知者:对某一事件感兴趣一方。定义了当事件发生时,相应的处理函数,即回调函数。但需要事先将其注册到通知链中(被通知者注册的动作就是在通知链中增加一项)。
- 通知者:事件的通知者。当检测到某事件,或者本身产生事件时,通知所有对该事件感兴趣的一方事件发生。他定义了一个通知链,其中保存了每一个被通知者对事件的处理函数(回调函数)。通知这个过程实际上就是遍历通知链中的每一项,然后调用相应的事件处理函数。
包括以下过程:
- 通知者定义通知链。
- 被通知者向通知链中注册回调函数。
- 当事件发生时,通知者发出通知(执行通知链中所有元素的回调函数)。
被通知者调用 notifier_chain_register函数注册回调函数,该函数按照优先级将回调函数加入到通知链中:
static int notifier_chain_register(structnotifier_block **nl, struct notifier_block *n)
{
while ((*nl)!= NULL)
{
if (n->priority >(*nl)->priority)
break;
nl = &((*nl)->next);
}
n->next = *nl;
rcu_assign_pointer(*nl, n);
return0;
}
注销回调函数则使用 notifier_chain_unregister函数,即将回调函数从通知链中删除:
static int notifier_chain_unregister(structnotifier_block **nl, struct notifier_block *n)
{
while ((*nl)!= NULL)
{
if ((*nl) == n)
{
rcu_assign_pointer(*nl, n->next);
return 0;
}
nl = &((*nl)->next);
}
return-ENOENT;
}
通知者调用 notifier_call_chain函数通知事件的到达,这个函数会遍历通知链中所有的元素,然后依次调用每一个的回调函数(即完成通知动作):
static int __kprobes notifier_call_chain(structnotifier_block **nl, unsigned long val, void *v, int nr_to_call,int *nr_calls)
{
int ret =NOTIFY_DONE;
structnotifier_block *nb, *next_nb;
nb =rcu_dereference(*nl);
while (nb&& nr_to_call)
{
next_nb = rcu_dereference(nb->next);
#ifdef CONFIG_DEBUG_NOTIFIERS
if(unlikely(!func_ptr_is_kernel_text(nb->notifier_call)))
{
WARN(1, "Invalid notifier called!");
nb = next_nb;
continue;
}
#endif
ret = nb->notifier_call(nb, val, v);
if (nr_calls)
(*nr_calls)++;
if ((ret & NOTIFY_STOP_MASK) ==NOTIFY_STOP_MASK)
break;
nb = next_nb;
nr_to_call--;
}
returnret;
}
参数nl是通知链的头部,val表示事件类型,v用来指向通知链上的函数执行时需要用到的参数,一般不同的通知链,参数类型也不一样,例如当通知一个网卡被注册时,v就指向net_device结构,nr_to_call表示准备最多通知几个,-1表示整条链都通知,nr_calls非空的话,返回通知了多少个。
每个被执行的notifier_block回调函数的返回值可能取值为以下几个:
- NOTIFY_DONE:表示对相关的事件类型不关心。
- NOTIFY_OK:顺利执行。
- NOTIFY_BAD:执行有错。
- NOTIFY_STOP:停止执行后面的回调函数。
- NOTIFY_STOP_MASK:停止执行的掩码。
Notifier_call_chain()把最后一个被调用的回调函数的返回值作为它的返回值。
四、举例应用:
在这里,写了一个简单的通知链表的代码。实际上,整个通知链的编写也就两个过程:
- 首先是定义自己的通知链的头节点,并将要执行的函数注册到自己的通知链中。
- 其次则是由另外的子系统来通知这个链,让其上面注册的函数运行。
这里将第一个过程分成了两步来写,第一步是定义了头节点和一些自定义的注册函数(针对该头节点的),第二步则是使用自定义的注册函数注册了一些通知链节点。分别在代码buildchain.c与regchain.c中。发送通知信息的代码为notify.c。
代码1buildchain.c。它的作用是自定义一个通知链表test_chain,然后再自定义两个函数分别向这个通知链中加入或删除节点,最后再定义一个函数通知这个test_chain链:
MODULE_LICENSE("GPL");
static RAW_NOTIFIER_HEAD(test_chain);
int register_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{
returnraw_notifier_chain_register(&test_chain, nb);
}
EXPORT_SYMBOL(register_test_notifier);
int unregister_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{
returnraw_notifier_chain_unregister(&test_chain,nb);
}
EXPORT_SYMBOL(unregister_test_notifier);
int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void *v)
{
returnraw_notifier_call_chain(&test_chain, val, v);
}
EXPORT_SYMBOL(test_notifier_call_chain);
static int __init init_notifier(void)
{
printk("init_notifier\n");
return 0;
}
static void __exit exit_notifier(void)
{
printk("exit_notifier\n");
}
module_init(init_notifier);
module_exit(exit_notifier);
代码2 regchain.c。该代码的作用是将test_notifier1test_notifier2test_notifier3这三个节点加到之前定义的test_chain这个通知链表上,同时每个节点都注册了一个函数:
MODULE_LICENSE("GPL");
extern int register_test_notifier(struct notifier_block*);
extern int unregister_test_notifier(struct notifier_block*);
static int test_event1(struct notifier_block *this, unsigned longevent, void *ptr)
{
printk("In Event 1: Event Number is %d\n",event);
return 0;
}
static int test_event2(struct notifier_block *this, unsigned longevent, void *ptr)
{
printk("In Event 2: Event Number is %d\n",event);
return 0;
}
static int test_event3(struct notifier_block *this, unsigned longevent, void *ptr)
{
printk("In Event 3: Event Number is %d\n",event);
return 0;
}
static struct notifier_block test_notifier1 =
{
.notifier_call = test_event1,
};
static struct notifier_block test_notifier2 =
{
.notifier_call = test_event2,
};
static struct notifier_block test_notifier3 =
{
.notifier_call = test_event3,
};
static int __init reg_notifier(void)
{
int err;
printk("Begin to register:\n");
err =register_test_notifier(&test_notifier1);
if (err)
{
printk("register test_notifier1 error\n");
return-1;
}
printk("register test_notifier1completed\n");
err =register_test_notifier(&test_notifier2);
if (err)
{
printk("register test_notifier2 error\n");
return-1;
}
printk("register test_notifier2completed\n");
err =register_test_notifier(&test_notifier3);
if (err)
{
printk("register test_notifier3 error\n");
return-1;
}
printk("register test_notifier3completed\n");
return err;
}
static void __exit unreg_notifier(void)
{
printk("Begin to unregister\n");
unregister_test_notifier(&test_notifier1);
unregister_test_notifier(&test_notifier2);
unregister_test_notifier(&test_notifier3);
printk("Unregister finished\n");
}
module_init(reg_notifier);
module_exit(unreg_notifier);
代码3notify.c。该代码的作用就是向test_chain通知链中发送消息,让链中的函数运行:
MODULE_LICENSE("GPL");
extern int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void*v);
static int __init call_notifier(void)
{
int err;
printk("Begin to notify:\n");
printk("==============================\n");
err = test_notifier_call_chain(1, NULL);
printk("==============================\n");
if (err)
printk("notifier_call_chain error\n");
return err;
}
static void __exit uncall_notifier(void)
{
printk("Endnotify\n");
}
module_init(call_notifier);
module_exit(uncall_notifier);
Makefile文件:
obj-m:=buildchain.o regchain.o notify.o
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)
KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
all:
make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
运行(注意insmod要root权限):
make
insmod buildchain.ko
insmod regchain.ko
insmod notify.ko
这样就可以看到通知链运行的效果了:
init_notifier
Begin to register:
register test_notifier1 completed
register test_notifier2 completed
register test_notifier3 completed
Begin to notify:
==============================
In Event 1: Event Number is 1
In Event 2: Event Number is 1
In Event 3: Event Number is 1
==============================
附:
以下是一些宏来初始化各种类型的通知头结构, 一般在程序中使用:
#define ATOMIC_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do{ \
spin_lock_init(&(name)->lock); \
(name)->head =NULL; \
} while (0)
#define BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do{ \
init_rwsem(&(name)->rwsem); \
(name)->head =NULL; \
} while (0)
#define RAW_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do{ \
(name)->head =NULL; \
} while (0)
以下这些宏也是用来初始化各种类型的通知头结构,但是在参数定义时使用(即作为赋值的右半部分,作为等号右边的部分):
#define ATOMIC_NOTIFIER_INIT(name){ \
.lock =__SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock), \
.head = NULL }
#define BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name){ \
.rwsem =__RWSEM_INITIALIZER((name).rwsem), \
.head = NULL }
#defineRAW_NOTIFIER_INIT(name) { \
.head = NULL }
注意, 没有定义scru通知头结构的初始化, 因为scru是不能静态初始化的.
以下这些宏用来直接定义通知头结构:
#defineATOMIC_NOTIFIER_HEAD(name) \
struct atomic_notifier_head name= \
ATOMIC_NOTIFIER_INIT(name)
#defineBLOCKING_NOTIFIER_HEAD(name) \
struct blocking_notifier_head name= \
BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name)
#defineRAW_NOTIFIER_HEAD(name) \
struct raw_notifier_head name= \
RAW_NOTIFIER_INIT(name)
4. 扩展的通知块操作
扩展的通知块操作功能和基本通知块类似, 但使用了扩展的结构中的参数保证操作的安全
4.1 原子通知块
4.1.1 登记
// 只是在基本通知登记操作前后加锁解锁进行保护
int atomic_notifier_chain_register(struct atomic_notifier_head*nh,
struct notifier_block *n)
{
unsigned long flags;
int ret;
// 加锁
spin_lock_irqsave(&nh->lock,flags);
ret =notifier_chain_register(&nh->head,n);
// 解锁
spin_unlock_irqrestore(&nh->lock,flags);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(atomic_notifier_chain_register);
4.1.2 撤销
// 只是在基本通知块撤销操作前后加锁解锁进行保护
int atomic_notifier_chain_unregister(struct atomic_notifier_head*nh,
struct notifier_block *n)
{
unsigned long flags;
int ret;
// 加锁
spin_lock_irqsave(&nh->lock,flags);
ret =notifier_chain_unregister(&nh->head,n);
// 解锁
spin_unlock_irqrestore(&nh->lock,flags);
// 同步rcu, 等待一个grace period
synchronize_rcu();
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(atomic_notifier_chain_unregister);
4.1.3 原子回调
这个函数是在原子操作上下文中调用, 是不能阻塞的
int __kprobes atomic_notifier_call_chain(structatomic_notifier_head *nh,
unsigned long val, void*v)
{
int ret;
// 禁止了抢占
rcu_read_lock();
// 使用基本通知块回调
ret =notifier_call_chain(&nh->head, val,v);
// 允许抢占
rcu_read_unlock();
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(atomic_notifier_call_chain);
4.2 可阻塞通知块
4.2.1 登记
int blocking_notifier_chain_register(structblocking_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
int ret;
// 这是内核启动时就进行调用了, 虽然可能性很小, 直接执行基本登记函数
// 不用处理信号灯, 因为此时是不能阻塞
if (unlikely(system_state ==SYSTEM_BOOTING))
returnnotifier_chain_register(&nh->head,n);
// 使用信号灯进行同步, 可能阻塞
down_write(&nh->rwsem);
// 基本登记函数
ret =notifier_chain_register(&nh->head,n);
up_write(&nh->rwsem);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blocking_notifier_chain_register);
4.2.2 撤销
该函数是在进程处理过程中调用,可阻塞:
int blocking_notifier_chain_unregister(structblocking_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
int ret;
// 这是内核启动时就进行调用了, 虽然可能性很小, 直接执行基本撤销函数
// 不用处理信号灯, 因为此时是不能阻塞
if (unlikely(system_state ==SYSTEM_BOOTING))
returnnotifier_chain_unregister(&nh->head,n);
// 使用信号灯进行同步, 可能阻塞
down_write(&nh->rwsem);
// 基本撤销函数
ret =notifier_chain_unregister(&nh->head,n);
up_write(&nh->rwsem);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blocking_notifier_chain_unregister);
4.2.3 回调
在进行上下文中调用, 可以阻塞:
int blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head*nh,
unsigned long val, void*v)
{
int ret;
// 信号灯同步
down_read(&nh->rwsem);
// 进行基本回调处理
ret =notifier_call_chain(&nh->head, val,v);
up_read(&nh->rwsem);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blocking_notifier_call_chain);
4.3 原始通知块操作
和基本原始块操作完全相同:
int raw_notifier_chain_register(struct raw_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
returnnotifier_chain_register(&nh->head,n);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_notifier_chain_register);
int raw_notifier_chain_unregister(structraw_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
returnnotifier_chain_unregister(&nh->head,n);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_notifier_chain_unregister);
int raw_notifier_call_chain(struct raw_notifier_head *nh,
unsigned long val, void*v)
{
returnnotifier_call_chain(&nh->head, val,v);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_notifier_call_chain);
4.4 SRCU通知块操作
4.4.1 登记
必须在进程的上下文中调用, 和blocking通知类似
int srcu_notifier_chain_register(structsrcu_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
int ret;
if (unlikely(system_state ==SYSTEM_BOOTING))
returnnotifier_chain_register(&nh->head,n);
mutex_lock(&nh->mutex);
ret =notifier_chain_register(&nh->head,n);
mutex_unlock(&nh->mutex);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(srcu_notifier_chain_register);
4.4.2 撤销
必须在进程的上下文中调用, 和blocking通知类似
int srcu_notifier_chain_unregister(structsrcu_notifier_head *nh,
struct notifier_block *n)
{
int ret;
if (unlikely(system_state ==SYSTEM_BOOTING))
returnnotifier_chain_unregister(&nh->head,n);
mutex_lock(&nh->mutex);
ret =notifier_chain_unregister(&nh->head,n);
mutex_unlock(&nh->mutex);
synchronize_srcu(&nh->srcu);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(srcu_notifier_chain_unregister);
4.4.3 回调
在进程的上下文中调用, 可以阻塞:
int srcu_notifier_call_chain(structsrcu_notifier_head *nh,
unsigned long val, void*v)
{
int ret;
int idx;
// 使用srcu读锁来加锁
idx =srcu_read_lock(&nh->srcu);
ret =notifier_call_chain(&nh->head, val,v);
srcu_read_unlock(&nh->srcu,idx);
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(srcu_notifier_call_chain);
4.4.4 初始化
因为SRCU通知不能通过宏来初始化,必须要专门定义一个初始化函数来初始化srcu的通知块参数:
void srcu_init_notifier_head(structsrcu_notifier_head *nh)
{
// 初始化锁
mutex_init(&nh->mutex);
// 初始化scru结构
if(init_srcu_struct(&nh->srcu)< 0)
BUG();
nh->head = NULL;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(srcu_init_notifier_head);
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