Linux 内核通知链机制的原理及实现

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:

1、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:

2、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:

3、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:

4、SRCU 通知链( SRCU notifier chains ):可阻塞通知链的一种变体。对应的链表头:

通知链的核心结构:

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:

  1. 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)。
  2. 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:

  1. 通知者定义通知链。
  2. 被通知者向通知链中注册回调函数。
  3. 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:

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:

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):

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:

  1. NOTIFY_DONE:表示对相关的事件类型不关心。
  2. NOTIFY_OK:顺利执行。
  3. NOTIFY_BAD:执行有错。
  4. NOTIFY_STOP:停止执行后面的回调函数。
  5. 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:

  1. 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。
  2. 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1 buildchain.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:

代码2 regchain.c。该代码的作用是将test_notifier1 test_notifier2 test_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:

代码3 notify.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:

Makefile文件:

运行(注意insmod要root权限):

这样就可以看到通知链运行的效果了:

 

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