玩一玩linux內(nèi)核的通知鏈

1、通知鏈簡(jiǎn)介

文本描述構(gòu)成通知鏈的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和API接口，同時(shí)描述四種通知鏈的具體應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)API接口進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

在Linux內(nèi)核中，struct notifier_block 是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)觀察者模式。它允許內(nèi)核的不同部分將自己注冊(cè)為監(jiān)聽(tīng)器（觀察者）以偵聽(tīng)特定事件。當(dāng)這些事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核會(huì)通知所有注冊(cè)的notifier block，它們可以對(duì)事件做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

struct notifier_block 在Linux內(nèi)核頭文件 include/linux/notifier.h 中定義，并具有以下結(jié)構(gòu)：

structnotifier_block{
int(*notifier_call)(structnotifier_block*nb,unsignedlongaction,void*data);
structnotifier_block*next;
intpriority;
};

notifier_call：這個(gè)字段指向在通知事件發(fā)生時(shí)將被調(diào)用的回調(diào)函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)的函數(shù)簽名定義為 int (*notifier_call)(struct notifier_block *nb, unsigned long action, void *data)。nb 參數(shù)是指向 notifier block 本身的指針，action 包含通知類型，而 data 則是指向與事件相關(guān)的附加數(shù)據(jù)的指針。

next：這個(gè)字段是指向鏈中下一個(gè) notifier block 的指針。Linux內(nèi)核維護(hù)一個(gè)已注冊(cè)的 notifier block 的鏈表，該字段使得可以遍歷整個(gè)鏈表。

priority：這個(gè)字段決定了該 notifier block 相對(duì)于其他已注冊(cè) notifier block 的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)多個(gè)塊為同一事件注冊(cè)時(shí)，內(nèi)核按照優(yōu)先級(jí)降序通知它們。具有較高優(yōu)先級(jí)值的 notifier block 將在具有較低優(yōu)先級(jí)值的之前收到通知。

要使用 struct notifier_block，內(nèi)核模塊可以使用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)，例如register_inotifier() 或 register_netdevice_notifier()，具體取決于特定的事件類別。

一些常見(jiàn)的利用 struct notifier_block 的事件包括：

文件系統(tǒng)事件，如文件創(chuàng)建、刪除和修改。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備事件，如接口的啟用或禁用。

內(nèi)存管理事件，如頁(yè)面分配和釋放。

通過(guò)使用 struct notifier_block，內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員可以更好地設(shè)計(jì)模塊化和可擴(kuò)展的系統(tǒng)，讓不同的組件以解耦的方式對(duì)事件做出響應(yīng)。這種模式有助于更好地組織代碼，并且在不影響現(xiàn)有代碼的情況下更容易添加新功能到內(nèi)核中。

整個(gè)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2、通知鏈的類型

在linux內(nèi)核中，定義了四種類型的通知鏈。

（1）原子（Atomic）通知鏈

定義如下：

原子通知鏈在內(nèi)核中廣泛應(yīng)用，特別是在一些基本的通知機(jī)制中。這種通知鏈的處理是原子的，意味著在處理鏈上的通知時(shí)，不會(huì)被中斷或其他并發(fā)操作干擾。原子通知鏈的應(yīng)用場(chǎng)景包括進(jìn)程退出通知、進(jìn)程停止通知、以及內(nèi)核調(diào)試和跟蹤事件通知等。

（2）阻塞（Block）通知鏈

定義如下：

阻塞通知鏈用于一些需要等待通知鏈中所有處理器完成后才能繼續(xù)執(zhí)行的場(chǎng)景。當(dāng)某個(gè)處理器在鏈上發(fā)起通知后，阻塞通知鏈將等待所有處理器都完成其任務(wù)后才返回。阻塞通知鏈的應(yīng)用場(chǎng)景包括內(nèi)核模塊的初始化，其中一個(gè)模塊可能需要等待其他模塊完成初始化后才能繼續(xù)執(zhí)行。

（3）原始（RAW）通知鏈

定義如下：

原始通知鏈?zhǔn)且环N特殊類型的通知鏈，它沒(méi)有任何同步機(jī)制。這意味著在處理通知鏈時(shí)，不進(jìn)行任何鎖定或同步操作，這可能會(huì)導(dǎo)致并發(fā)問(wèn)題。原始通知鏈主要用于一些低層的底層通知機(jī)制，通常需要使用者自己確保線程安全性。原始通知鏈的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)較少，可能只在一些特定的高性能場(chǎng)景中使用。

（4）SRCU通知鏈

定義如下：

SRCU通知鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)Linux內(nèi)核中的SRCU（Synchronize RCUs）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SRCU通知鏈提供了更高級(jí)的同步機(jī)制，以確保在刪除或釋放通知處理器時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件。這允許在通知鏈上安全地添加和刪除處理器。SRCU通知鏈的應(yīng)用場(chǎng)景包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備事件通知，其中多個(gè)處理器可能對(duì)事件做出響應(yīng)，并且需要在處理器安全刪除時(shí)保持同步。

3、原理分析和API

（1）注銷通知器

在使用通知鏈之前，需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)應(yīng)類型的通知鏈，并使用注冊(cè)進(jìn)行注冊(cè)，從源碼角度，每種類型的通知鏈都一一對(duì)應(yīng)著一個(gè)注冊(cè)函數(shù)：

原子通知鏈注冊(cè)函數(shù)：int atomic_notifier_chain_register(struct atomic_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb)。

阻塞通知鏈注冊(cè)函數(shù)：int atomic_notifier_chain_register(struct blocking_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb)。

原始通知鏈注冊(cè)函數(shù)：int atomic_notifier_chain_register(struct raw_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb)。

srcu通知鏈注冊(cè)函數(shù)：int atomic_notifier_chain_register(struct srcu_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb)。

上述四種類型的注冊(cè)函數(shù)本質(zhì)上是調(diào)用notifier_chain_register()函數(shù)實(shí)現(xiàn)核心功能，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

staticintnotifier_chain_register(structnotifier_block**nl,
structnotifier_block*n)
{
while((*nl)!=NULL){
if(n->priority>(*nl)->priority)
break;
nl=&((*nl)->next);
}
n->next=*nl;
rcu_assign_pointer(*nl,n);
return0;
}

上述代碼是一個(gè)根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行循環(huán)遍歷的操作，如果n的優(yōu)先級(jí)比*nl的優(yōu)先級(jí)高那么循環(huán)結(jié)束，接著就將n插入到*nl的前面。形成通知鏈。

（2）注銷通知器

有注冊(cè)函數(shù)，則對(duì)應(yīng)著注銷函數(shù)，四種通知鏈的注銷函數(shù)是：

原子通知鏈注銷函數(shù)：int atomic_notifier_chain_unregister(struct atomic_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb);

阻塞通知鏈注銷函數(shù)：int blocking_notifier_chain_unregister(struct blocking_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb);

原始通知鏈注銷函數(shù)：int raw_notifier_chain_unregister(struct raw_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb);

srcu通知鏈注銷函數(shù)：int srcu_notifier_chain_unregister(struct srcu_notifier_head *nh,struct notifier_block *nb);

上述四種類型的注冊(cè)函數(shù)本質(zhì)上是調(diào)用notifier_chain_unregister()函數(shù)實(shí)現(xiàn)核心功能，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

staticintnotifier_chain_unregister(structnotifier_block**nl,
structnotifier_block*n)
{
while((*nl)!=NULL){
if((*nl)==n){
rcu_assign_pointer(*nl,n->next);
return0;
}
nl=&((*nl)->next);
}
return-ENOENT;
}

循環(huán)判斷找到了要注銷的然后執(zhí)行注銷，將其從鏈表中移除。

（3）通知鏈的通知

通常，通知鏈的注冊(cè)是由各個(gè)模塊在內(nèi)核初始化階段進(jìn)行的。當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用相應(yīng)的notifier_call_chain()函數(shù)，以通知所有注冊(cè)的模塊或組件。這樣，不同的模塊可以根據(jù)事件類型和參數(shù)進(jìn)行自定義處理，而無(wú)需顯式地知道其他模塊的存在。

四種通知鏈分別對(duì)應(yīng)不同的函數(shù)：

原子通知鏈通知函數(shù)：int atomic_notifier_call_chain(struct atomic_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v);

阻塞通知鏈通知函數(shù)：int blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v);

原始通知鏈通知函數(shù)：int raw_notifier_call_chain(struct raw_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v);

srcu通知鏈通知函數(shù)：int srcu_notifier_call_chain(struct srcu_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v);

上述四個(gè)函數(shù)最后都會(huì)調(diào)用notifier_call_chain()實(shí)現(xiàn)核心功能，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

staticintnotifier_call_chain(structnotifier_block**nl,
unsignedlongval,void*v,
intnr_to_call,int*nr_calls)
{
intret=NOTIFY_DONE;
structnotifier_block*nb,*next_nb;

nb=rcu_dereference_raw(*nl);

while(nb&&nr_to_call){
next_nb=rcu_dereference_raw(nb->next);

#ifdefCONFIG_DEBUG_NOTIFIERS
if(unlikely(!func_ptr_is_kernel_text(nb->notifier_call))){
WARN(1,"Invalidnotifiercalled!");
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;
}

nl：指向通知鏈頭的指針。這是一個(gè)指向指針的指針，指向通知鏈的頭節(jié)點(diǎn)。

val：事件類型。鏈本身標(biāo)識(shí)的一組事件，val明確標(biāo)識(shí)一種事件類型

v：一個(gè)指針，指向攜帶更多事件相關(guān)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

nr_to_call：記錄發(fā)送的通知數(shù)量。如果不需要這個(gè)字段的值可以是NULL

nr_calls：通知程序調(diào)用鏈返回最后一個(gè)被調(diào)用的通知程序函數(shù)返回的值。

在notifier_chain_unregister()的while循環(huán)結(jié)構(gòu)中會(huì)調(diào)用：

ret=nb->notifier_call(nb,val,v);

依次執(zhí)行注冊(cè)到該通知鏈中的所有函數(shù)。

4、實(shí)例代碼

本小節(jié)通過(guò)原子通知鏈給出實(shí)例代碼，原子通知鏈可用于實(shí)現(xiàn)觀察者模式的通信機(jī)制。

（1）定義一個(gè)通知鏈

#include
#include
#include
#include/*printk()*/


//定義原子通知鏈
staticATOMIC_NOTIFIER_HEAD(my_notifier_list);


//通知事件
staticintcall_notifiers(unsignedlongval,void*v)
{
returnatomic_notifier_call_chain(&my_notifier_list,val,v);

}
EXPORT_SYMBOL(call_notifiers);



//向通知鏈注冊(cè)通知block
staticintregister_notifier(structnotifier_block*nb)
{
interr;

err=atomic_notifier_chain_register(&my_notifier_list,nb);
if(err)
returnerr;
}
EXPORT_SYMBOL(register_notifier);


//從通知鏈中注銷通知block
staticintunregister_notifier(structnotifier_block*nb)
{
interr;

err=atomic_notifier_chain_unregister(&my_notifier_list,nb);
if(err)
returnerr;
}
EXPORT_SYMBOL(unregister_notifier);

staticint__initmyNotifier_init(void)
{
printk("myNotifierinitfinish
");

return0;
}

staticvoid__exitmyNotifier_exit(void)
{
printk("myNotifierexitfinish
");
}


module_init(myNotifier_init);
module_exit(myNotifier_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("iriczhao");

（2）實(shí)現(xiàn)觀察者模塊

/**
*模塊1，用于創(chuàng)建通知block，并注冊(cè)
*/
#include
#include
#include


externintregister_notifier(structnotifier_block*nb);
externintunregister_notifier(structnotifier_block*nb);


staticintnotifier_one_call_fn(structnotifier_block*nb,
unsignedlongaction,void*data)
{
printk(">>thisisnotifier_one_call_fn
");

printk("recvaction=%ddata=%p
",action,data);

return0;
}

staticintnotifier_two_call_fn(structnotifier_block*nb,
unsignedlongaction,void*data)
{
printk(">>thisisnotifier_two_call_fn
");

return0;
}


/*defineanotifier_block*/
staticstructnotifier_blocknotifier_one={
.notifier_call=notifier_one_call_fn,
};

staticstructnotifier_blocknotifier_two={
.notifier_call=notifier_two_call_fn,
};


staticint__initmodule_1_init(void)
{
register_notifier(¬ifier_two);
register_notifier(¬ifier_one);

return0;
}

staticvoid__exitmodule_1_exit(void)
{
unregister_notifier(¬ifier_two);
unregister_notifier(¬ifier_one);
}

module_init(module_1_init);
module_exit(module_1_exit);

//定義模塊相關(guān)信息
MODULE_AUTHOR("iriczhao");
MODULE_LICENSE("GPL");

（3）事件發(fā)生模塊

/*
*事件通知模塊
*/
#include
#include
#include
#include

externintcall_notifiers(unsignedlongval,void*v);

staticintevent_module_init(void)
{
printk("Eventmoduleinitialized
");

unsignedlongevent=123;
void*data=(void*)0xDEADBEEF;
call_notifiers(event,data);

return0;
}

staticvoidevent_module_exit(void)
{
printk("Eventmoduleexiting
");
}

module_init(event_module_init);
module_exit(event_module_exit);

//定義模塊相關(guān)信息
MODULE_AUTHOR("iriczhao");
MODULE_LICENSE("GPL");

(4)輸出結(jié)果

將上述三份代碼以模塊方式構(gòu)建，并加載進(jìn)內(nèi)核，首先加載自定義的通知鏈my_notifier_list，接著加載module_1.ko注冊(cè)兩個(gè)事件訂閱者，最后加載module_2.ko通知事件，并向module_1發(fā)送兩個(gè)參數(shù)：action和data，并通過(guò)module_1打印出來(lái)。輸出結(jié)果如下：

5、總結(jié)

本文描述了內(nèi)核的通知鏈機(jī)制并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)踐，加深了對(duì)內(nèi)核通知鏈的理解，方便對(duì)內(nèi)核中基于通知鏈設(shè)計(jì)的代碼的執(zhí)行行為的把控。

審核編輯：劉清