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深入Linux内核中的映射（IDR）机制
在Linux内核中，许多资源都是通过整数ID来标识的，例如进程的PID、文件的描述符ID等。这些整数ID背后往往对应着一个结构体，用以记录该资源的详细信息。那么，如何将这些整数ID与结构体有效地对应起来呢？这就是映射（IDR）机制需要解决的问题。
映射机制适用于大规模数据存储和快速查找的场景。在Linux内核中，映射的目标是将指针与一个唯一标识数（UID）对应起来。为此，Linux内核不仅实现了映射的三个标准模块，还提供了自动产生UID的模块。
一、映射适合解决的问题
在Linux系统中，资源的管理和调度是非常重要的任务。为了高效管理这些资源，系统使用整数ID来标识它们。单个整数所能表达的信息有限，因此往往需要一个结构体来记录资源的详细信息。映射机制能够将整数ID与对应的结构体关联起来，从而实现资源的快速查找和管理。
二、什么是映射？
映射是一种将数值（如结构体指针）与另一个数（键值）关联起来的数据结构。映射一般至少提供以下三个模块：
1. add(key, value)：增加映射，将键值对添加到映射中。
2. remove(key)：删除映射，根据键值删除映射中的条目。
3. lookup(key)：根据键查找数值，返回与键对应的值。
哈希表是一种常用的映射实现方式，但映射并不限于哈希表，也可以通过其他数据结构（如自平衡二叉树）来实现。在Linux内核中，映射的实现更加定制化和高效，以适应内核的特殊需求。
三、Linux内核中的映射实现
在Linux内核中，映射的实现通过idr（ID Registry）机制来完成。idr机制提供了一种将整数ID映射到内核对象的机制，如文件系统中的inode等。
1. 数据结构：Linux内核中的idr通过idr_layer结构体来实现。idr_layer结构类似于一个链表，其中包含了一个位图（bitmap）和一个子层（ary）。位图用于快速查找空闲的ID，子层则用于存储已分配的ID。
2. 初始化：初始化一个idr非常简单，只需调用idr_init()函数即可。该函数将idr清零并初始化锁。
3. 分配新的UID：建立好一个新的idr后，就可以分配新的UID了。通过调用idr_alloc()函数，可以为指定的idr分配一个新的UID。该函数会确保分配的UID是唯一的，并且与指定的内核对象关联起来。
Linux内核中的映射（IDR）机制是一种高效、定制化的数据映射方式，用于将整数ID与内核对象关联起来。通过idr_layer结构体的设计，以及初始化、分配UID等操作的实现，映射机制在Linux内核中发挥着重要的作用，为资源管理和调度提供了强有力的支持。这一步在Linux内核中的操作主要通过两个关键函数实现：idr_pre_get()和idr_get_new()。让我们深入一下idr_pre_get()函数的C语言实现细节。
当我们深入阅读Linux内核源代码时，会注意到一些有趣的细节，比如函数命名。尽管这些命名对于内核开发者来说可能是自然而然的选择，但对于新手来说可能会有些困惑。例如，当我们看到idr_pre_get()函数时，从其命名来看，似乎是在预先获取某些资源或数据。但实际上，这个函数的核心任务是处理和管理内存层。
下面是idr_pre_get()函数的C语言代码：
```c
int idr_pre_get(struct idr idp, gfp_t gfp_mask)
{
while (idp->id_free_t < IDR_FREE_MAX) {
struct idr_layer new;
new = kmem_cache_alloc(idr_layer_cache, gfp_mask); // 从缓存中分配内存层
if (new == NULL) // 如果分配失败，则返回错误码
return (0);
free_layer(idp, new); // 将新分配的内存层添加到空闲列表中进行管理
}
return 1; // 成功分配足够的内存层后返回成功标识
}
```
在`free_layer()`函数之前，让我们先理解其背后的含义。许多人可能会误解这个函数名，以为它是在释放某个标识符（idr）。但实际上，它并不像名字字面意义上那样简单。真正的功能是将新分配的资源与特定的idr相连接。这是如何工作的呢？让我们一起它的实现过程。
我们来看这个函数定义：
```c
static void free_layer(struct idr idp, struct idr_layer p) {
unsigned long flags; // 用于保存中断标志的变量
spin_lock_irqsave(&idp->lock, flags); // 使用自旋锁保护idr的访问，避免并发问题
__free_layer(idp, p); // 实际执行释放操作的函数，具体的逻辑不在此赘述
spin_unlock_irqrestore(&idp->lock, flags); // 解除自旋锁并恢复中断标志状态
}
```
在理解了`free_layer()`函数的基本结构后，我们可以继续其依赖的函数。首先有一个图展示了`idr_pre_get()`函数执行后的数据结构状态。当我们深入了解这个函数时，会注意到它主要负责获取一个新的UID（唯一标识符）。这个UID将在后续的操作中被使用，比如将某个指针与这个UID关联起来。让我们看看这个函数的实现细节：
```c
int idr_get_new(struct idr idp, void ptr, int id) { // 函数声明表示尝试获取一个新的唯一标识符并将其关联到给定的指针上
int rv; // 存储返回结果的变量
rv = idr_get_new_above_int(idp, ptr, 0); // 实际负责获取唯一标识符的函数调用，参数表示从最小的可用标识符开始查找（默认为0）
在 Linux 内核中，查找 UID 对应的指针地址变得相对简单，这一切的神奇之处都源于 idr_find() 函数的巧妙设计。接下来，让我们一起揭开这个函数的神秘面纱。
当我们调用 idr_find() 函数时，其 C 语言代码逻辑如下：
```c
void idr_find(struct idr idp, int id)
{
int n;
struct idr_layer p;
n = idp->layers << IDR_BITS; // 计算偏移量
p = idp->; // 获取起始位置
// 屏蔽我们不用于搜索的高位比特
id &= MAX_ID_MASK;
// 判断 id 是否超出范围
if (id >= (1 << n))
return NULL;
// 通过循环找到对应的指针地址
while (n > 0 && p != NULL) {
n -= IDR_BITS; // 更新偏移量
p = p->ary; // 移动到下一层
}
return (void )p; // 返回找到的指针地址，若未找到则返回 NULL
}
```
idr_find() 函数的主要任务是根据提供的 UID（id）在 idr 数据结构中查找对应的指针地址。如果查找成功，它会返回相应的指针地址；如果查找失败或 UID 超出范围，它会返回 NULL。值得注意的是，我们应当避免将空指针 NULL 与 UID 映射，因为这样将无法区分函数是失败还是由于其他原因而返回 NULL。
当我们对 Linux 内核中的映射有了初步了解后，其他相关代码的分析，如删除一个 UID 映射的 idr_remove() 函数，也是类似的逻辑。在这里，我们仅作简单的介绍，更详细的内容将在后续的文章中讨论。
Linux 内核中的 idr 设计与实现具有一定的复杂度，但通过上述的简要介绍，相信你已经对其有了初步的了解。欢迎在评论区一起讨论，分享你的看法和疑问。虽为手打原创，部分参考了《linux内核原理和设计》等资料，但每天更新的文章都是关于C语言、linux等嵌入式开发的内容。如果你对这些话题感兴趣，不妨关注我，以便看到更多更新的文章。