Linux内核里的“智能指针”

众所周知，C/C++语言本身并不支持垃圾回收机制，虽然语言本身具有极高的灵活性，但是当遇到大型的项目时，繁琐的内存管理往往让人痛苦异常。现代的C/C++类库一般会提供智能指针来作为内存管理的折中方案，比如STL的auto_ptr，Boost的Smart_ptr库，QT的QPointer家族，甚至是基于C语言构建的GTK+也通过引用计数来实现类似的功能。Linux内核是如何解决这个问题呢？同样作为C语言的解决方案，Linux内核采用的也是引用计数的方式。如果您更熟悉C++，可以把它类比为Boost的shared_ptr，或者是QT的QSharedPointer。

在Linux内核里，引用计数是通过struct kref结构来实现的。在介绍如何使用kref之前，我们先来假设一个情景。假如您开发的是一个字符设备驱动，当设备插上时，系统自动建立一个设备节点，用户通过文件操作来访问设备节点。

如上图所示，最左边的绿色框图表示实际设备的插拔动作，中间黄色的框图表示内核中设备对象的生存周期，右边蓝色的框图表示用户程序系统调用的顺序。如果用户程序正在访问的时候设备突然被拔掉，驱动程序里的设备对象是否立刻释放呢？如果立刻释放，用户程序执行的系统调用一定会发生内存非法访问；如果要等到用户程序close之后再释放设备对象，我们应该怎么来实现？kref就是为了解决类似的问题而生的。

kref的定义非常简单，其结构体里只有一个原子变量。

struct kref {
	atomic_t refcount;
};

Linux内核定义了下面三个函数接口来使用kref：

void kref_init(struct kref *kref);
void kref_get(struct kref *kref);
int kref_put(struct kref *kref, void (*release) (struct kref *kref));

我们先通过一段伪代码来了解一下如何使用kref。

struct my_obj
{
	int val;
	struct kref refcnt;
};

struct my_obj *obj;

void obj_release(struct kref *ref) 
{
	struct my_obj *obj = container_of(ref, struct my_obj, refcnt);
	kfree(obj);
}

device_probe() 
{
	obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL);
	kref_init(&obj->refcnt);
}

device_disconnect() 
{
	kref_put(&obj->refcnt, obj_release);
}

.open() 
{
	kref_get(&obj->refcnt);
}

.close() 
{
	kref_put(&obj->refcnt, obj_release);
}

在这段代码里，我们定义了obj_release来作为释放设备对象的函数，当引用计数为0时，这个函数会被立刻调用来执行真正的释放动作。我们先在device_probe里把引用计数初始化为1，当用户程序调用open时，引用计数又会被加1，之后如果设备被拔掉，device_disconnect会减掉一个计数，但此时refcnt还不是0，设备对象obj并不会被释放，只有当close被调用之后，obj_release才会执行。

看完伪代码之后，我们再来实战一下。为了节省篇幅，这个实作并没有建立一个字符设备，只是通过模块的加载和卸载过程来对感受一下kref。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>

struct my_obj {
        int val;
        struct kref refcnt;
};

struct my_obj *obj;

void obj_release(struct kref *ref)
{
        struct my_obj *obj = container_of(ref, struct my_obj, refcnt);
        printk(KERN_INFO "obj_release\n");
        kfree(obj);
}

static int __init kreftest_init(void)
{
        printk(KERN_INFO "kreftest_init\n");
        obj = kmalloc(sizeof(*obj), GFP_KERNEL);
        kref_init(&obj->refcnt);
        return 0;
}

static void __exit kreftest_exit(void)
{
        printk(KERN_INFO "kreftest_exit\n");
        kref_put(&obj->refcnt, obj_release);
        return;
}

module_init(kreftest_init);
module_exit(kreftest_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

通过kbuild编译之后我们得到kref_test.ko，然后我们顺序执行以下命令来挂载和卸载模块。

sudo insmod ./kref_test.ko

sudo rmmod kref_test

此时，系统日志会打印出如下消息：

kreftest_init

kreftest_exit

obj_release

这正是我们预期的结果。

 

有了kref引用计数，即使内核驱动写的再复杂，我们对内存管理也应该有信心了吧。

 

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接下来请看： Linux内核里的"智能指针" (续)