zircon fifo實現分析

原創

2020-02-22 19:28

fifo是一種進程間通信機制，是一種先進先出的queue。其設計目的是作爲共享內存傳輸的控制面，
其讀寫性能比socket或者channel都更加有效率，但是其在elements和buffers的大小上有嚴格的限制！
//TODO：限制的本質原因

系統調用banjo文件位置：zircon\system\public\zircon\syscalls.banjo

fifo的創建：zx_fifo_create
系統調用到內核的實現爲sys_fifo_create

sys_fifo_create
   auto up = ProcessDispatcher::GetCurrent() //調用process的dispatcher的靜態方法GetCurrent，獲取當前進程的dispatcher對象,主要做權限檢查，確認當前進程有FIFO的新建權限！
   FifoDispatcher::Create //限制(count * elemsize)不能大於PAGE_SIZE，即4096。應該可以改！
   out0->make //kernel句柄傳遞到用戶態
   out1->make

fifo的讀取：zx_fifo_read
系統調用到內核的實現爲sys_fifo_read

sys_fifo_read
   auto up = ProcessDispatcher::GetCurrent()
   up->GetDispatcherWithRights
   FifoDispatcher::ReadToUser
   actual_count.copy_to_user

fifo的讀取：zx_fifo_write
系統調用到內核的實現爲zx_fifo_write

zx_fifo_write
   auto up = ProcessDispatcher::GetCurrent()
   up->GetDispatcherWithRights
   FifoDispatcher::WriteFromUser
       FifoDispatcher::WriteSelfLocked
   actual_count.copy_to_user

其實fifo的實現非常簡單，提供的系統調用接口有3個：create、read、write。
fifo在內核中的實現呈現爲一個FifoDispatcher對象，該對象繼承自PeeredDispatcher。其包含如下的私有成員：
data_：uint8_t類型的指針，用於存儲FIFO數據
head_：指示FIFO中上次寫入的下一個位置
tail_：指示FIFO中上次讀取的下一個位置
elem_size_：FIFO中存取的元素結構體大小
elem_count_：FIFO中存取的元素結構體數量
mask_：elem_count_-1，用於對head_和tail_取模

不過fifo在zircon內核中還是非常有代表性；其代表了一種雙端（peer）對象。
內核中的所有peer對象都繼承PeeredDispatcher類。
它包含了一個PeerHolder類型的私有成員，而PeerHolder類型則主要提供一個基於mutex的lock對象及獲取這個lock對象指針的get_lock方法。
fifo的讀寫操作都需要在這個mutex對象的保護下進行，保證數據一致性！
PeeredDispatcher類還包含另一個重要數據成員——peer_，爲指向它自身類型的一個指針。

在FifoDispatcher::Create靜態方法中，首先會動態創建一個PeerHolder對象，然後將它同時傳遞給兩個fifo的構造函數。
對，這裏會創建兩個fifo對象（fifo0、fifo1），它們具有相同尺寸的存數據的buffer，但是注意，這兩個buffer是相互獨立的！
這兩個fifo的初始化時，傳入了同一個holder對象，這也標誌着兩個fifo在數據的讀寫上都會競爭同一把mutex鎖，串行執行！！
兩個fifo創建好後，會調用Init方法，將各自的peer_成員指向對方，如下：
fifo0.dispatcher()->Init(fifo1.dispatcher());
fifo1.dispatcher()->Init(fifo0.dispatcher());
這樣兩個fifo之間就被一把mutex鎖和各自的peer_對象聯繫了起來，下面還會詳細分析下fifo的讀寫，到時還會更深切的理解內核的peer對象！

FifoDispatcher::ReadToUser
   Guard<fbl::Mutex> guard{get_lock()}; //第一步先獲取holder的mutext鎖
   ptr.copy_array_to_user //將fifo的數據拷貝到用戶空間給定的指針
   peer_->UpdateStateLocked(0u, ZX_FIFO_WRITABLE) //這句的前提是之前fifo已經full，但經過這輪read後fifo有空閒了，所以通知對端（peer）可寫
   UpdateStateLocked(ZX_FIFO_READABLE, 0u) //如果本fifo被這輪讀空，則置爲本fifo dispatcher爲不可讀！

FifoDispatcher::WriteFromUser
   Guard<fbl::Mutex> guard{get_lock()}; //第一步仍然是先拿holder鎖
   peer_->WriteSelfLocked //FifoDispatcher::WriteSelfLocked，這裏是直接寫到對端（peer）的fifo中去
       ptr.copy_array_from_user //將數據拷貝到fifo中
       UpdateStateLocked(0u, ZX_FIFO_READABLE); //這句執行的前提是之前fifo爲空，這輪寫入後，需要通知本fifo dispatcher可讀
       peer_->UpdateStateLocked(ZX_FIFO_WRITABLE, 0u); //如果本fifo被這輪寫滿，則設置對端fifo dispatcher爲不可寫！

這裏邊涉及到一個UpdateStateLocked函數，沒有展開講，因爲在“zircon的event實現及async loop機制”文章中已經講過，可以參考那裏的分析。