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Original:: Adding reference counters (krefs) to kernel objects

翻译:

司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>

校译：

<此处请校译员签名（自愿），我将在下一个版本添加>

为内核对象添加引用计数器（krefs）¶

作者:: Corey Minyard <minyard@acm.org>
作者:: Thomas Hellstrom <thellstrom@vmware.com>

其中很多内容都是从Greg Kroah-Hartman2004年关于krefs的OLS论文和演讲中摘录的，可以在以下网址找到:

http://www.kroah.com/linux/talks/ols_2004_kref_paper/Reprint-Kroah-Hartman-OLS2004.pdf

http://www.kroah.com/linux/talks/ols_2004_kref_talk/

简介¶

krefs允许你为你的对象添加引用计数器。如果你有在多个地方使用和传递的对象，而你没有refcounts，你的代码几乎肯定是坏的。如果你想要引用计数，krefs是个好办法。

要使用kref，请在你的数据结构中添加一个，如:

struct my_data
{
    .
    .
    struct kref refcount;
    .
    .
};

kref可以出现在数据结构体中的任何地方。

初始化¶

你必须在分配kref之后初始化它。要做到这一点，可以这样调用kref_init:

struct my_data *data;

data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);
if (!data)
       return -ENOMEM;
kref_init(&data->refcount);

这将kref中的refcount设置为1。

Kref规则¶

一旦你有一个初始化的kref，你必须遵循以下规则:

如果你对一个指针做了一个非临时性的拷贝，特别是如果它可以被传递给另一个执行线程，你必须在传递之前用kref_get()增加refcount:
```
kref_get(&data->refcount);

 如果你已经有了一个指向kref-ed结构体的有效指针（refcount不能为零），你
 可以在没有锁的情况下这样做。
```
当你完成对一个指针的处理时，你必须调用kref_put():
```
kref_put(&data->refcount, data_release);
```
如果这是对该指针的最后一次引用，释放程序将被调用。如果代码从来没有尝试过在没有已经持有有效指针的情况下获得一个kref-ed结构体的有效指针，那么在没有锁的情况下这样做是安全的。
如果代码试图获得对一个kref-ed结构体的引用，而不持有一个有效的指针，它必须按顺序访问，在kref_put()期间不能发生kref_get()，并且该结构体在kref_get() 期间必须保持有效。

例如，如果你分配了一些数据，然后将其传递给另一个线程来处理:

void data_release(struct kref *ref)
{
    struct my_data *data = container_of(ref, struct my_data, refcount);
    kfree(data);
}

void more_data_handling(void *cb_data)
{
    struct my_data *data = cb_data;
    .
    . do stuff with data here
    .
    kref_put(&data->refcount, data_release);
}

int my_data_handler(void)
{
    int rv = 0;
    struct my_data *data;
    struct task_struct *task;
    data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data)
            return -ENOMEM;
    kref_init(&data->refcount);

    kref_get(&data->refcount);
    task = kthread_run(more_data_handling, data, "more_data_handling");
    if (task == ERR_PTR(-ENOMEM)) {
            rv = -ENOMEM;
            kref_put(&data->refcount, data_release);
            goto out;
    }

    .
    . do stuff with data here
    .
out:
    kref_put(&data->refcount, data_release);
    return rv;
}

这样，两个线程处理数据的顺序并不重要，kref_put()处理知道数据不再被引用并释放它。kref_get()不需要锁，因为我们已经有了一个有效的指针，我们拥有一个 refcount。put不需要锁，因为没有任何东西试图在没有持有指针的情况下获取数据。

在上面的例子中，kref_put()在成功和错误路径中都会被调用2次。这是必要的，因为引用计数被kref_init()和kref_get()递增了2次。

请注意，规则1中的 "before "是非常重要的。你不应该做类似于:

task = kthread_run(more_data_handling, data, "more_data_handling");
if (task == ERR_PTR(-ENOMEM)) {
        rv = -ENOMEM;
        goto out;
} else
        /* BAD BAD BAD - 在交接后得到 */
        kref_get(&data->refcount);

不要以为你知道自己在做什么而使用上述构造。首先，你可能不知道自己在做什么。其次，你可能知道自己在做什么（有些情况下涉及到锁，上述做法可能是合法的），但其他不知道自己在做什么的人可能会改变代码或复制代码。这是很危险的作风。请不要这样做。

在有些情况下，你可以优化get和put。例如，如果你已经完成了一个对象，并且给其他对象排队，或者把它传递给其他对象，那么就没有理由先做一个get，然后再做一个 put:

/* 糟糕的额外获取(get)和输出(put) */
kref_get(&obj->ref);
enqueue(obj);
kref_put(&obj->ref, obj_cleanup);

只要做enqueue就可以了。我们随时欢迎对这个问题的评论:

enqueue(obj);
/* 我们已经完成了对obj的处理，所以我们把我们的refcount传给了队列。
 在这之后不要再碰obj了! */

最后一条规则（规则3）是最难处理的一条。例如，你有一个每个项目都被krefed的列表，而你希望得到第一个项目。你不能只是从列表中抽出第一个项目，然后kref_get()它。这违反了规则3，因为你还没有持有一个有效的指针。你必须添加一个mutex（或其他锁）。比如说:

static DEFINE_MUTEX(mutex);
static LIST_HEAD(q);
struct my_data
{
        struct kref      refcount;
        struct list_head link;
};

static struct my_data *get_entry()
{
        struct my_data *entry = NULL;
        mutex_lock(&mutex);
        if (!list_empty(&q)) {
                entry = container_of(q.next, struct my_data, link);
                kref_get(&entry->refcount);
        }
        mutex_unlock(&mutex);
        return entry;
}

static void release_entry(struct kref *ref)
{
        struct my_data *entry = container_of(ref, struct my_data, refcount);

        list_del(&entry->link);
        kfree(entry);
}

static void put_entry(struct my_data *entry)
{
        mutex_lock(&mutex);
        kref_put(&entry->refcount, release_entry);
        mutex_unlock(&mutex);
}

如果你不想在整个释放操作过程中持有锁，kref_put()的返回值是有用的。假设你不想在上面的例子中在持有锁的情况下调用kfree()（因为这样做有点无意义）。你可以使用kref_put()，如下所示:

static void release_entry(struct kref *ref)
{
        /* 所有的工作都是在从kref_put()返回后完成的。*/
}

static void put_entry(struct my_data *entry)
{
        mutex_lock(&mutex);
        if (kref_put(&entry->refcount, release_entry)) {
                list_del(&entry->link);
                mutex_unlock(&mutex);
                kfree(entry);
        } else
                mutex_unlock(&mutex);
}

如果你必须调用其他程序作为释放操作的一部分，而这些程序可能需要很长的时间，或者可能要求相同的锁，那么这真的更有用。请注意，在释放例程中做所有的事情还是比较好的，因为它比较整洁。

上面的例子也可以用kref_get_unless_zero()来优化，方法如下:

static struct my_data *get_entry()
{
        struct my_data *entry = NULL;
        mutex_lock(&mutex);
        if (!list_empty(&q)) {
                entry = container_of(q.next, struct my_data, link);
                if (!kref_get_unless_zero(&entry->refcount))
                        entry = NULL;
        }
        mutex_unlock(&mutex);
        return entry;
}

static void release_entry(struct kref *ref)
{
        struct my_data *entry = container_of(ref, struct my_data, refcount);

        mutex_lock(&mutex);
        list_del(&entry->link);
        mutex_unlock(&mutex);
        kfree(entry);
}

static void put_entry(struct my_data *entry)
{
        kref_put(&entry->refcount, release_entry);
}

这对于在put_entry()中移除kref_put()周围的mutex锁是很有用的，但是重要的是 kref_get_unless_zero被封装在查找表中的同一关键部分，否则kref_get_unless_zero 可能引用已经释放的内存。注意，在不检查其返回值的情况下使用kref_get_unless_zero 是非法的。如果你确信（已经有了一个有效的指针）kref_get_unless_zero()会返回true，那么就用kref_get()代替。

Krefs和RCU¶

函数kref_get_unless_zero也使得在上述例子中使用rcu锁进行查找成为可能:

struct my_data
{
        struct rcu_head rhead;
        .
        struct kref refcount;
        .
        .
};

static struct my_data *get_entry_rcu()
{
        struct my_data *entry = NULL;
        rcu_read_lock();
        if (!list_empty(&q)) {
                entry = container_of(q.next, struct my_data, link);
                if (!kref_get_unless_zero(&entry->refcount))
                        entry = NULL;
        }
        rcu_read_unlock();
        return entry;
}

static void release_entry_rcu(struct kref *ref)
{
        struct my_data *entry = container_of(ref, struct my_data, refcount);

        mutex_lock(&mutex);
        list_del_rcu(&entry->link);
        mutex_unlock(&mutex);
        kfree_rcu(entry, rhead);
}

static void put_entry(struct my_data *entry)
{
        kref_put(&entry->refcount, release_entry_rcu);
}

但要注意的是，在调用release_entry_rcu后，结构kref成员需要在有效内存中保留一个rcu 宽限期。这可以通过使用上面的kfree_rcu(entry, rhead)来实现，或者在使用kfree之前调用synchronize_rcu()，但注意synchronize_rcu()可能会睡眠相当长的时间。

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Krefs和RCU¶