1、前言

最近项目中用到一个环形缓冲区（ring buffer），代码是由linux内核的kfifo改过来的。缓冲区在文件系统中经常用到，通过缓冲区缓解cpu读写内存和读写磁盘的速度。例如一个进程A产生数据发给另外一个进程B，进程B需要对进程A传的数据进行处理并写入文件，如果B没有处理完，则A要延迟发送。为了保证进程A减少等待时间，可以在A和B之间采用一个缓冲区，A每次将数据存放在缓冲区中，B每次冲缓冲区中取。这是典型的生产者和消费者模型，缓冲区中数据满足FIFO特性，因此可以采用队列进行实现。Linux内核的kfifo正好是一个环形队列，可以用来当作环形缓冲区。生产者与消费者使用缓冲区如下图所示：

环形缓冲区的详细介绍及实现方法可以参考http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_buffer，介绍的非常详细，列举了实现环形队列的几种方法。环形队列的不便之处在于如何判断队列是空还是满。维基百科上给三种实现方法。

2、linux 内核kfifo

kfifo设计的非常巧妙，代码很精简，对于入队和出对处理的出人意料。首先看一下kfifo的数据结构：

struct kfifo {
    unsigned char *buffer;     /* the buffer holding the data */
    unsigned int size;         /* the size of the allocated buffer */
    unsigned int in;           /* data is added at offset (in % size) */
    unsigned int out;          /* data is extracted from off. (out % size) */
    spinlock_t *lock;          /* protects concurrent modifications */
};

kfifo提供的方法有：

//根据给定buffer创建一个kfifo
struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
                gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock);
//给定size分配buffer和kfifo
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
                 spinlock_t *lock);
//释放kfifo空间
void kfifo_free(struct kfifo *fifo)
//向kfifo中添加数据
unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
                const unsigned char *buffer, unsigned int len)
//从kfifo中取数据
unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
                const unsigned char *buffer, unsigned int len)
//获取kfifo中有数据的buffer大小
unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo)

定义自旋锁的目的为了防止多进程/线程并发使用kfifo。因为in和out在每次get和out时，发生改变。初始化和创建kfifo的源代码如下：

struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
             gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
    struct kfifo *fifo;
    /* size must be a power of 2 */
    BUG_ON(!is_power_of_2(size));
    fifo = kmalloc(sizeof(struct kfifo), gfp_mask);
    if (!fifo)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);
    fifo->buffer = buffer;
    fifo->size = size;
    fifo->in = fifo->out = 0;
    fifo->lock = lock;

    return fifo;
}
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
    unsigned char *buffer;
    struct kfifo *ret;
    if (!is_power_of_2(size)) {
        BUG_ON(size > 0x80000000);
        size = roundup_pow_of_two(size);
    }
    buffer = kmalloc(size, gfp_mask);
    if (!buffer)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);
    ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);

    if (IS_ERR(ret))
        kfree(buffer);
    return ret;
}

在kfifo_init和kfifo_calloc中，kfifo->size的值总是在调用者传进来的size参数的基础上向2的幂扩展，这是内核一贯的做法。这样的好处不言而喻--对kfifo->size取模运算可以转化为与运算，如：kfifo->in % kfifo->size 可以转化为 kfifo->in & (kfifo->size – 1)

kfifo的巧妙之处在于in和out定义为无符号类型，在put和get时，in和out都是增加，当达到最大值时，产生溢出，使得从0开始，进行循环使用。put和get代码如下所示：

static inline unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,
                const unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned long flags;
    unsigned int ret;
    spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
    ret = __kfifo_put(fifo, buffer, len);
    spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
    return ret;
}

static inline unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo,
                     unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
    unsigned long flags;
    unsigned int ret;
    spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
    ret = __kfifo_get(fifo, buffer, len);
        //当fifo->in == fifo->out时，buufer为空
    if (fifo->in == fifo->out)
        fifo->in = fifo->out = 0;
    spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
    return ret;
}


unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,
            const unsigned