浅谈linux内核中的位图

位图的定义

位图法就是bitmap的缩写，所谓bitmap，是用每一位来存放某种状态，适用于大规模数据，但数据状态又不是很多的情况。通常是用来判断某个数据存不存在的。例如，要判断一千万个人的状态，每个人只有两种状态：男人，女人，可以用0，1表示。那么就可以开一个int数组，一个int有32个位，就可以表示32个人。操作的时候可以使用位操作。

位图也可以用来存储系统在线/离线处理器，来支持CPU热插拔；再比如，位图在Linux内核等初始化过程中存储已分配的中断请求。

位图声明

数据结构和示例

在这个数组里面，可以存储 N * sizeof(int) * 8个数据，但是最大的数只能是N * sizeof(int)  * 8 - 1。假如，我们要存储的数据范围为0-15，则我们只需要使得N=1，这样就可以把数据存进去。如下图：

数据为【5，1，7，15，0，4，6，10】，则存入这个结构中的情况为:

位图法在内核中的应用示例

内核既要分配唯一的PID还要对已经分配好的PID进行跟踪。内核是使用了一个大的位图，其中每个PID由一个比特标识。PID的值可通过对应比特在位图中的位置计算而来。因此，分配一个空闲的PID，本质上就等同于寻找位图中第一个值为0的比特，接下来将比特设置为1，反之释放一个PID可通过将对应的比特从1切换为0实现。

这个思想很简单，那么在实现上8个，我们知道可以用一个能表示8种情况的整数来标识。一个字节的空间就有8个比特位。如0x03说明分配了的PID号是0，1号。

一般应用中数值范围是很大的，如果数值是大于8，那该如何呢？首先可以考虑用一个大点的数来表示，如用unsigned long,这是表示四字节，一个unsigned long的整数可以表示的PID号范围是0～31,要是PID号是大于31的又该如何设计呢？

我们可以申请一个连续的地址空间来表示。如：unsigned long bitmap[8]; 这申请了32个字节的连续地址空间，可以表示的范围是0～32*8-1。如果申请的的PID号是在0～31的范围，则只用处于首地址的数来表示即可。同理如果PID号范围是在32～63，则用第二个地址的数来表示。以此类推。那么在具体实现上是怎么样的呢？

PID号与所求的数据的地址存在着数学关系，我们要把这种关系弄清楚。PID号就是对应于偏移号，即从首个比特开始算起，看是偏移了几位，偏移了的数值就是PID号。如第二个比特位，偏移了1位，所以PID号是1。而unsigned long数据类型，是占四个字节空间，即意味着一个地址可以表示32位表比特。所以第一个地址表示的偏移号是0～31，第二个地址表示的偏移号是32～63,第三个地址表示的偏移号是64～127，通过分析我们可以发现这样的数学关系：0～31的任何数除以32都得0，表示是首地址，32～63的任何数除以32结果得1，表示是第二个地址，64～127的任何数除以32都得2，表示是第三个地址的数据。因此我们可以概括出其中的数学关系：偏移号除以32所得结果是相对于首地址的偏移地址量，得到偏移地址量后加上首地址可求出实际的地址，有了地址就可知道该地址上的数了。有了该数就可对它在相应位上置 位。

特定架构的位运算

clear_bit;

set_bit;

两个函数来实现设置位的操作和清除位操作。