Linux 核心資料結構：點陣圖（Bitmap）

喬永琪發表於2016-12-10
Linux資料結構

本系列：

點陣圖和位運算

除了各種鏈式和樹形資料結構，Linux核心還提供了點陣圖介面。點陣圖在Linux核心中大量使用。下面的原始碼檔案包含這些結構的通用介面：

除了這兩個檔案，還有一個特定的架構標頭檔案，對特定架構的位運算進行優化。對於x86_64架構，使用下面標頭檔案：

正如我前面提到的，點陣圖在Linux核心中大量使用。比如，點陣圖可以用來儲存系統線上/離線處理器，來支援CPU熱插拔；再比如，點陣圖在Linux核心等初始化過程中儲存已分配的中斷請求。

因此，本文重點分析點陣圖在Linux核心中的具體實現。

點陣圖宣告

點陣圖介面使用前，應當知曉Linux核心是如何宣告點陣圖的。一種簡單的點陣圖宣告方式，即unsigned long陣列。比如：

第二種方式，採用DECLARE_BITMAP巨集，此巨集位於標頭檔案include/linux/types.h中：

DECLARE_BITMAP巨集有兩個引數：

  • name – 點陣圖名字；
  • bits – 點陣圖中位元總數目

並且擴充套件元素大小為BITS_TO_LONGS(bits)、型別unsigned long的陣列，而BITS_TO_LONGS巨集將位轉換為long型別，或者說計算出bits中包含多少byte元素：

例如：DECLARE_BITMAP(my_bitmap, 64)結果為：

和：

點陣圖宣告後，我們就可以使用它了。

特定架構的位運算

我們已經檢視了操作點陣圖介面的兩個原始碼檔案和一個標頭檔案。點陣圖最重要最廣泛的應用介面是特定架構，它位於標頭檔案arch/x86/include/asm/bitops.h中

首先，我們來看兩個重要的函式：

  • set_bit;
  • clear_bit.

我認為沒有必要介紹這些函式是做什麼的，通過函式名就可以知曉。我們來看函式的實現。進入標頭檔案arch/x86/include/asm/bitops.h，你會注意到每個函式分兩種型別：原子型別和非原子型別。在深入這些函式實現前，我們需要先了解一些原子性運算。

一言以蔽之，原子性操作保障，位於同一資料上的兩個甚至多個運算，不能併發執行。x86架構提供一組原子性指令，如指令xchg、指令cmpxchg。除了原子性指令，一些非原子性指令可藉助指令lock進行原子性運算。目前我們瞭解這些原子性運算就足夠了，接下來可以開始考慮set_bit和clear_bit函式。

先從非原子性型別的函式開始，非原子性set_bit和clear_bit函式名始於雙下劃線。正如你所瞭解的，所有的函式定義在標頭檔案arch/x86/include/asm/bitops.h中，第一個函式__set_bit：

它擁有兩個引數：

  • nr –  點陣圖中位元數目
  • addr –  點陣圖中某個位元需要設值的地址

注意引數addr定義為volatile，告訴編譯器此值或許被某個地址改變。而__set_bit容易實現。正如你所見，恰好它包含一行內聯彙編程式碼。本例中，使用指令bts選擇點陣圖中的某個位元值作為首個運算元，將已選擇位元值存入暫存器CF標籤中，並設定此位元。

此處可以看到nr的用法，那addr呢？或許你已猜到其中的奧祕就在ADDR中。而ADDR是定義在標頭檔案中的巨集，擴充套件字串，在該地址前面加入+m約束：

除了+m，我們可以看到__set_bit函式中其它約束。讓我們檢視這些約束，試著理解其中的含義：

  • +m – 表示記憶體運算元，+表示此運算元為輸入和輸出運算元；
  • I – 表示整數常數；
  • r -表示暫存器運算元

除了這些約束，還看到關鍵字memory，它會告知編譯器此程式碼會更改記憶體中的值。接下來，我們來看同樣功能，原子型別函式。它看起來要比非原子型別函式複雜得多：

注意它與函式__set_bit含有相同的引數列表，不同的是函式被標記有屬性__always_inline。__always_inline是定義在include/linux/compiler-gcc.h中的巨集，只是擴充套件了always_inline屬性：

這意味著函式會被內聯以減少Linux核心映象的大小。接著，我們試著去理解函式set_bit實現。函式set_bit伊始，便對位元數目進行檢查。IS_IMMEDIATE是定義在相同標頭檔案中的巨集，用於擴充套件內建函式gcc：

內建函式__builtin_constant_p返回1的條件是此引數在編譯期為常數；否則返回0。無需使用指令bts設定位元值，因為編譯期位元數目為一常量。僅對已知位元組地址進行按位或運算，並對位元數目bits進行掩碼，使其高位為1，其它為0. 而位元數目在編譯期若非常量，函式__set_bit中運算亦相同。巨集CONST_MASK_ADDR：

採用偏移量擴充套件某個地址為包含已知位元的位元組。比如地址0x1000，以及位元數目0x9。0x9等於一個位元組，加一個位元，地址為addr+1：

巨集CONST_MASK表示看做位元組的某已知位元數目，高位為1，其它位元為0：

最後，我們使用按位或運算。假設address為0x4097，需要設定ox9位元：

第九個位元將被設定

注意所有的操作均標記有LOCK_PREFIX，即擴充套件為指令lock，確保運算以原子方式執行。

如我們所知，除了set_bit和__set_bit運算，Linux核心還提供了兩個逆向函式以原子或非原子方式清理位元，clear_bit和__clear_bit。這個兩個函式均定義在相同的標頭檔案中，並擁有相同的引數列表。當然不僅是引數相似，函式本身和set_bit以及 __set_bit都很相似。我們先來看非原子性函式__clear_bit

正如我們所看到的，它們擁有相同引數列表，以及相似的內聯彙編函式塊。不同的是__clear_bit採用指令btr代替指令bts。從函式名我們可以看出，函式用來清除某個地址的某個位元值。指令btr與指令bts類似，選擇某個位元值作為首個運算元，將其值存入暫存器CF標籤中，並清除點陣圖中的這個位元值，且將點陣圖作為指令的第二個運算元。

__clear_bit的原子型別為clear_bit:

正如我們所看到的，它和set_bit相似，僅有兩處不同。第一個不同，使用指令btr進行位元清理，而set_bit使用指令bts位元儲存。第二個不同，使用消除掩碼以及指令and清理某個byte中的bit值，而set_bit使用指令or。

到目前為止，我們可以給任何點陣圖設值、清除或位掩碼運算。

點陣圖最常用的運算為Linux核心中點陣圖的設值以及位元值的清除。除了這些運算外，為點陣圖新增額外的運算也是有必要的。Linux核心中，另一個廣泛的運算是判定點陣圖是否已設定位元值。可藉助test_bit巨集進行判定，此巨集定義在標頭檔案arch/x86/include/asm/bitops.h中，並依據位元數目，選擇呼叫constant_test_bit 或 variable_test_bit：

若nr在編譯期為常數，呼叫test_bit中函式constant_test_bit，否則呼叫函式variable_test_bit。我們來看這些函式實現，先從函式variable_test_bit開始：

函式variable_test_bit擁有set_bit等函式相似的引數列表。同樣，我們看到內聯彙編程式碼，執行指令bt、sbb。指令bt或bit test，從點陣圖中選擇某個位元值作為首個運算元，而點陣圖作為第二個運算元，並將選定的位元值存入暫存器CF標籤中。而指令sbb則會將首個運算元從第二個運算元中移除，並移除CF標籤值。將點陣圖某個位元值寫入CF標籤暫存器，執行指令sbb，計算CF為00000000 ，最後將結果寫入oldbit。

函式constant_test_bit與set_bit相似：

它能夠產生一個位元組，其高位時1，其它位元為0，對這個包含位元數目的位元組做按位與運算。

接下來比較廣泛的點陣圖運算是，點陣圖中的位元值的改變運算。為此，Linux核心提供兩個幫助函式：

  • __change_bit;
  • change_bit.

或許你已能猜到，與set_bit和 __set_bit相似，存在兩個型別，原子型別和非原子型別。我們先來看函式__change_bit的實現：

很容易，難道不是嗎？__change_bit與__set_bit擁有相似的實現，不同的是，前者採用的指令btc而非bts。指令選擇點陣圖中的某個位元值，然後將此值放入CF中，然後使用補位運算改變其值。若位元值為1則改變後的值為0，反之亦然：

函式__change_bit的原子版本為函式change_bit：

與函式set_bit相似，但有兩處不同。第一處不同的是xor運算而非or；第二處不同的是btc而非bts。

至此，我們瞭解了最重要的點陣圖架構相關運算，接下來我們來檢視通用點陣圖介面。

通用位元運算

除了來自標頭檔案arch/x86/include/asm/bitops.h的特定架構介面，Linux核心還提供了點陣圖的通用介面。從前文就已瞭解，標頭檔案include/linux/bitmap.h，以及* lib/bitmap.c原始碼檔案。不過在檢視原始碼檔案之前，我們先來看標頭檔案include/linux/bitops.h，它提供了一組有用的巨集。我們來看其中的一些：

先看下面四個巨集：

  • for_each_set_bit
  • for_each_set_bit_from
  • for_each_clear_bit
  • for_each_clear_bit_from

這些巨集提供了點陣圖迭代器，首個巨集迭代集合set，第二個巨集也是，不過從集合指定的位元處開始。後面兩個巨集也是如此，不同的是迭代清空的位元。我們先來看巨集for_each_set_bit的實現：

正如大家所看到的，此巨集擁有三個引數，以及迴圈從set集合第一個位元開始，到最後一個位元結束，迭代位元數目小於最後一個size，迴圈最後返回函式find_first_bit。

除了這四個巨集，arch/x86/include/asm/bitops.h還提供了64位或32位等值的迭代。

同樣，標頭檔案也提供了點陣圖的其它介面。比如下面的這兩個函式：

  • bitmap_zero;
  • bitmap_fill.

清除點陣圖，併為其填值1 。我們來看函式bitmap_zero實現：

同樣，先檢查nbits，函式small_const_nbits定義在相同標頭檔案中的巨集，具體如下：

正如大家所見，檢查nbits在編譯期是否為一常量，nbits值是否超過BITS_PER_LONG或64 。倘若bits的數目沒有超出long型別的總量，將其設定為0 。否則，需計算多少個long型別值填入點陣圖中，當然我們藉助memset填入。

函式bitmap_fill的實現與bitmap_zero相似，不同的是點陣圖的填值為0xff或0b11111111：

除了函式bitmap_fill和bitmap_zero，標頭檔案include/linux/bitmap.h還提供了函式bitmap_copy，它與bitmap_zero相似，不一樣的是使用memcpy而非memset。與此同時，也提供了諸如bitmap_and、bitmap_or, bitamp_xor等函式進行按位運算。考慮到這些函式實現容易理解，在此我們就不做說明；對這些函式感興趣的讀者朋友們，請開啟標頭檔案include/linux/bitmap.h進行研究。

就寫到這裡。

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