Linux内核通知链机制的原理及实现

不念不忘少年蓝@ 2022-06-17 05:59 279阅读 0赞

一、概念：

大多数内核子系统都是相互独立的，因此某个子系统可能对其它子系统产生的事件感兴趣。为了满足这个需求，也即是让某个子系统在发生某个事件时通知其它的子 系统，Linux内核提供了通知链的机制。通知链表只能够在内核的子系统之间使用，而不能够在内核与用户空间之间进行事件的通知。 通知链表是一个函数链表，链表上的每一个节点都注册了一个函数。当某个事情发生时，链表上所有节点对应的函数就会被执行。所以对于通知链表来说有一个通知 方与一个接收方。在通知这个事件时所运行的函数由被通知方决定，实际上也即是被通知方注册了某个函数，在发生某个事件时这些函数就得到执行。其实和系统调 用signal的思想差不多。

二、数据结构：

通知链有四种类型：

1. 
2. 原子通知链（ Atomic notifier chains ）：通知链元素的回调函数（当事件发生时要执行的函数）只能在中断上下文中运行，不允许阻塞。对应的链表头结构：
 
 <table style="word-wrap:break-word; border-collapse:collapse"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px"> struct&nbsp;atomic_notifier_head&nbsp; { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;spinlock_t lock; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*head; }; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
3. 可阻塞通知链（ Blocking notifier chains ）：通知链元素的回调函数在进程上下文中运行，允许阻塞。对应的链表头：
 
 <table style="word-wrap:break-word; border-collapse:collapse"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px"> struct&nbsp;blocking_notifier_head&nbsp; { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;rw_semaphore rwsem; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*head; }; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
4. 原始通知链（ Raw notifier chains ）：对通知链元素的回调函数没有任何限制，所有锁和保护机制都由调用者维护。对应的链表头：
 
 <table style="word-wrap:break-word; border-collapse:collapse"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px"> struct&nbsp;raw_notifier_head&nbsp; { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*head; }; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
5. SRCU 通知链（ SRCU notifier chains ）：可阻塞通知链的一种变体。对应的链表头：
 
 <table style="word-wrap:break-word; border-collapse:collapse"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px"> struct&nbsp;srcu_notifier_head&nbsp; { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;mutex mutex; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;srcu_struct srcu; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*head; }; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>

通知链的核心结构：

其中notifier\_call是通知链要执行的函数指针，next用来连接其它的通知结构，priority是这个通知的优先级，同一条链上的notifier\_block\{\}是按优先级排列的。内核代码中一般把通知链命名为xxx\_chain, xxx\_nofitier\_chain这种形式的变量名。

三、运作机制：

通知链的运作机制包括两个角色：

1.  被通知者：对某一事件感兴趣一方。定义了当事件发生时，相应的处理函数，即回调函数。但需要事先将其注册到通知链中（被通知者注册的动作就是在通知链中增加一项）。
2.  通知者：事件的通知者。当检测到某事件，或者本身产生事件时，通知所有对该事件感兴趣的一方事件发生。他定义了一个通知链，其中保存了每一个被通知者对事件的处理函数（回调函数）。通知这个过程实际上就是遍历通知链中的每一项，然后调用相应的事件处理函数。

包括以下过程：

1.  通知者定义通知链。
2.  被通知者向通知链中注册回调函数。
3.  当事件发生时，通知者发出通知（执行通知链中所有元素的回调函数）。

被通知者调用 notifier\_chain\_register 函数注册回调函数，该函数按照优先级将回调函数加入到通知链中：

注销回调函数则使用 notifier\_chain\_unregister 函数，即将回调函数从通知链中删除：

通知者调用 notifier\_call\_chain 函数通知事件的到达，这个函数会遍历通知链中所有的元素，然后依次调用每一个的回调函数（即完成通知动作）：

参数nl是通知链的头部，val表示事件类型，v用来指向通知链上的函数执行时需要用到的参数，一般不同的通知链，参数类型也不一样，例如当通知一个网卡被注册时，v就指向net\_device结构，nr\_to\_call表示准备最多通知几个，\-1表示整条链都通知，nr\_calls非空的话，返回通知了多少个。

每个被执行的notifier\_block回调函数的返回值可能取值为以下几个：

1.  NOTIFY\_DONE：表示对相关的事件类型不关心。
2.  NOTIFY\_OK：顺利执行。
3.  NOTIFY\_BAD：执行有错。
4.  NOTIFY\_STOP：停止执行后面的回调函数。
5.  NOTIFY\_STOP\_MASK：停止执行的掩码。

Notifier\_call\_chain()把最后一个被调用的回调函数的返回值作为它的返回值。

四、举例应用：

在这里，写了一个简单的通知链表的代码。实际上，整个通知链的编写也就两个过程：

1.  首先是定义自己的通知链的头节点，并将要执行的函数注册到自己的通知链中。
2.  其次则是由另外的子系统来通知这个链，让其上面注册的函数运行。

这里将第一个过程分成了两步来写，第一步是定义了头节点和一些自定义的注册函数（针对该头节点的），第二步则是使用自定义的注册函数注册了一些通知链节点。分别在代码buildchain.c与regchain.c中。发送通知信息的代码为notify.c。

代码1 buildchain.c。它的作用是自定义一个通知链表test\_chain，然后再自定义两个函数分别向这个通知链中加入或删除节点，最后再定义一个函数通知这个test\_chain链：

代码2 regchain.c。该代码的作用是将test\_notifier1 test\_notifier2 test\_notifier3这三个节点加到之前定义的test\_chain这个通知链表上，同时每个节点都注册了一个函数：

<table style="word-wrap:break-word; color:rgb(102,102,102); font-family:宋体,Arial; font-size:16px; line-height:26px; border-collapse:collapse"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px"> #include&nbsp;&lt;asm/uaccess.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/types.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/kernel.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/sched.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/notifier.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/init.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/types.h&gt; #include&nbsp;&lt;linux/module.h&gt; MODULE_LICENSE("GPL"); /* * 注册通知链 */ extern&nbsp;int&nbsp;register_test_notifier(struct&nbsp;notifier_block*); extern&nbsp;int&nbsp;unregister_test_notifier(struct&nbsp;notifier_block*); static&nbsp;int&nbsp;test_event1(struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*this,&nbsp;unsigned&nbsp;long&nbsp;event,&nbsp;void&nbsp;*ptr) { &nbsp;&nbsp;printk("In Event 1: Event Number is %d\n",&nbsp;event); &nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;&nbsp; } static&nbsp;int&nbsp;test_event2(struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*this,&nbsp;unsigned&nbsp;long&nbsp;event,&nbsp;void&nbsp;*ptr) { &nbsp;&nbsp;printk("In Event 2: Event Number is %d\n",&nbsp;event); &nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;&nbsp; } static&nbsp;int&nbsp;test_event3(struct&nbsp;notifier_block&nbsp;*this,&nbsp;unsigned&nbsp;long&nbsp;event,&nbsp;void&nbsp;*ptr) { &nbsp;&nbsp;printk("In Event 3: Event Number is %d\n",&nbsp;event); &nbsp;&nbsp;return&nbsp;0;&nbsp; } /* * 事件1，该节点执行的函数为test_event1 */ static&nbsp;struct&nbsp;notifier_block test_notifier1&nbsp;= { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;.notifier_call&nbsp;=&nbsp;test_event1, }; /* * 事件2，该节点执行的函数为test_event1 */ static&nbsp;struct&nbsp;notifier_block test_notifier2&nbsp;= { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;.notifier_call&nbsp;=&nbsp;test_event2, }; /* * 事件3，该节点执行的函数为test_event1 */ static&nbsp;struct&nbsp;notifier_block test_notifier3&nbsp;= { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;.notifier_call&nbsp;=&nbsp;test_event3, }; /* * 对这些事件进行注册 */ static&nbsp;int&nbsp;__init reg_notifier(void) { &nbsp;&nbsp;int&nbsp;err; &nbsp;&nbsp;printk("Begin to register:\n"); &nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;err&nbsp;=&nbsp;register_test_notifier(&amp;test_notifier1); &nbsp;&nbsp;if&nbsp;(err) &nbsp;&nbsp;{ &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier1 error\n"); &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;-1;&nbsp; &nbsp;&nbsp;} &nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier1 completed\n"); &nbsp;&nbsp;err&nbsp;=&nbsp;register_test_notifier(&amp;test_notifier2); &nbsp;&nbsp;if&nbsp;(err) &nbsp;&nbsp;{ &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier2 error\n"); &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;-1;&nbsp; &nbsp;&nbsp;} &nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier2 completed\n"); &nbsp;&nbsp;err&nbsp;=&nbsp;register_test_notifier(&amp;test_notifier3); &nbsp;&nbsp;if&nbsp;(err) &nbsp;&nbsp;{ &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier3 error\n"); &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;return&nbsp;-1;&nbsp; &nbsp;&nbsp;} &nbsp;&nbsp;printk("register test_notifier3 completed\n"); &nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;return&nbsp;err; } /* * 卸载刚刚注册了的通知链 */ static&nbsp;void&nbsp;__exit unreg_notifier(void) { &nbsp;&nbsp;printk("Begin to unregister\n"); &nbsp;&nbsp;unregister_test_notifier(&amp;test_notifier1); &nbsp;&nbsp;unregister_test_notifier(&amp;test_notifier2); &nbsp;&nbsp;unregister_test_notifier(&amp;test_notifier3); &nbsp;&nbsp;printk("Unregister finished\n"); } module_init(reg_notifier); module_exit(unreg_notifier); </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

代码3 notify.c。该代码的作用就是向test\_chain通知链中发送消息，让链中的函数运行：

Makefile文件：

运行（注意insmod要root权限）：

这样就可以看到通知链运行的效果了：

init\_notifier  
Begin to register:  
register test\_notifier1 completed  
register test\_notifier2 completed  
register test\_notifier3 completed  
Begin to notify:  
==============================  
In Event 1: Event Number is 1  
In Event 2: Event Number is 1  
In Event 3: Event Number is 1