Linux內核通知鏈機制的原理及實現

Linux內核通知鏈機制的原理及實現

一、概念：

大多數內核子系統都是相互獨立的，因此某個子系統可能對其它子系統產生的事件感興趣。為了滿足這個需求，也即是讓某個子系統在發生某個事件時通知其它的子系統，Linux內核提供了通知鏈的機制。通知鏈表只能夠在內核的子系統之間使用，而不能夠在內核與用戶空間之間進行事件的通知。 通知鏈表是一個函數鏈表，鏈表上的每一個節點都注冊了一個函數。當某個事情發生時，鏈表上所有節點對應的函數就會被執行。所以對於通知鏈表來說有一個通知方與一個接收方。在通知這個事件時所運行的函數由被通知方決定，實際上也即是被通知方注冊了某個函數，在發生某個事件時這些函數就得到執行。其實和系統調用signal的思想差不多。

二、數據結構：

通知鏈有四種類型：

1. 原子通知鏈（Atomicnotifierchains）：通知鏈元素的回調函數（當事件發生時要執行的函數）只能在中斷上下文中運行，不允許阻塞。對應的鏈表頭結構：

   struct atomic_notifier_head
   {
   spinlock_t lock;
   struct notifier_block *head;
   };

   
   
2. 可阻塞通知鏈（Blockingnotifierchains）：通知鏈元素的回調函數在進程上下文中運行，允許阻塞。對應的鏈表頭：

   struct blocking_notifier_head
   {
   struct rw_semaphore rwsem;
   struct notifier_block *head;
   };

   
   
3. 原始通知鏈（Rawnotifierchains）：對通知鏈元素的回調函數沒有任何限制，所有鎖和保護機制都由調用者維護。對應的鏈表頭：

   struct raw_notifier_head
   {
   struct notifier_block *head;
   };

   
   
4. SRCU通知鏈（SRCUnotifierchains）：可阻塞通知鏈的一種變體。對應的鏈表頭：

   struct srcu_notifier_head
   {
   struct mutex mutex;
   struct srcu_struct srcu;
   struct notifier_block *head;
   };

通知鏈的核心結構：

struct notifier_block
{
int (*notifier_call)(struct notifier_block *, unsigned long, void *);
struct notifier_block *next;
int priority;
};

其中notifier_call是通知鏈要執行的函數指針，next用來連接其它的通知結構，priority是這個通知的優先級，同一條鏈上的notifier_block{}是按優先級排列的。內核代碼中一般把通知鏈命名為xxx_chain,xxx_nofitier_chain這種形式的變量名。

三、運作機制：

通知鏈的運作機制包括兩個角色：

1. 被通知者：對某一事件感興趣一方。定義了當事件發生時，相應的處理函數，即回調函數。但需要事先將其注冊到通知鏈中（被通知者注冊的動作就是在通知鏈中增加一項）。
2. 通知者：事件的通知者。當檢測到某事件，或者本身產生事件時，通知所有對該事件感興趣的一方事件發生。他定義了一個通知鏈，其中保存了每一個被通知者對事件的處理函數（回調函數）。通知這個過程實際上就是遍歷通知鏈中的每一項，然後調用相應的事件處理函數。

包括以下過程：

1. 通知者定義通知鏈。
2. 被通知者向通知鏈中注冊回調函數。
3. 當事件發生時，通知者發出通知（執行通知鏈中所有元素的回調函數）。

被通知者調用notifier_chain_register函數注冊回調函數，該函數按照優先級將回調函數加入到通知鏈中：

static int notifier_chain_register(struct notifier_block **nl, struct notifier_block *n)
{
while ((*nl) != NULL)
{
if (n->priority > (*nl)->priority)
break;
nl = &((*nl)->next);
}

n->next = *nl;
rcu_assign_pointer(*nl, n);

return 0;
}

注銷回調函數則使用notifier_chain_unregister函數，即將回調函數從通知鏈中刪除：

static int notifier_chain_unregister(struct notifier_block **nl, struct notifier_block *n)
{
while ((*nl) != NULL)
{
if ((*nl) == n)
{
rcu_assign_pointer(*nl, n->next);

return 0;
}

nl = &((*nl)->next);
}

return -ENOENT;
}

通知者調用notifier_call_chain函數通知事件的到達，這個函數會遍歷通知鏈中所有的元素，然後依次調用每一個的回調函數（即完成通知動作）：

static int __kprobes notifier_call_chain(struct notifier_block **nl, unsigned long val, void *v, int nr_to_call, int *nr_calls)
{
int ret = NOTIFY_DONE;
struct notifier_block *nb, *next_nb;

nb = rcu_dereference(*nl);

while (nb && nr_to_call)
{
next_nb = rcu_dereference(nb->next);

#ifdef CONFIG_DEBUG_NOTIFIERS
if (unlikely(!func_ptr_is_kernel_text(nb->notifier_call)))
{
WARN(1, "Invalid notifier called!");

nb = next_nb;

continue;
}
#endif

ret = nb->notifier_call(nb, val, v);

if (nr_calls)

(*nr_calls)++;

if ((ret & NOTIFY_STOP_MASK) == NOTIFY_STOP_MASK)

break;

nb = next_nb;

nr_to_call--;
}

return ret;
}

參數nl是通知鏈的頭部，val表示事件類型，v用來指向通知鏈上的函數執行時需要用到的參數，一般不同的通知鏈，參數類型也不一樣，例如當通知一個網卡被注冊時，v就指向net_device結構，nr_to_call表示准備最多通知幾個，-1表示整條鏈都通知，nr_calls非空的話，返回通知了多少個。

每個被執行的notifier_block回調函數的返回值可能取值為以下幾個：

1. NOTIFY_DONE：表示對相關的事件類型不關心。
2. NOTIFY_OK：順利執行。
3. NOTIFY_BAD：執行有錯。
4. NOTIFY_STOP：停止執行後面的回調函數。
5. NOTIFY_STOP_MASK：停止執行的掩碼。

Notifier_call_chain()把最後一個被調用的回調函數的返回值作為它的返回值。

四、舉例應用：

在這裡，寫了一個簡單的通知鏈表的代碼。實際上，整個通知鏈的編寫也就兩個過程：

1. 首先是定義自己的通知鏈的頭節點，並將要執行的函數注冊到自己的通知鏈中。
2. 其次則是由另外的子系統來通知這個鏈，讓其上面注冊的函數運行。

這裡將第一個過程分成了兩步來寫，第一步是定義了頭節點和一些自定義的注冊函數（針對該頭節點的），第二步則是使用自定義的注冊函數注冊了一些通知鏈節點。分別在代碼buildchain.c與regchain.c中。發送通知信息的代碼為notify.c。

代碼1buildchain.c。它的作用是自定義一個通知鏈表test_chain，然後再自定義兩個函數分別向這個通知鏈中加入或刪除節點，最後再定義一個函數通知這個test_chain鏈：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL");

/*
* 定義自己的通知鏈頭結點以及注冊和卸載通知鏈的外包函數
*/

/*
* RAW_NOTIFIER_HEAD是定義一個通知鏈的頭部結點，
* 通過這個頭部結點可以找到這個鏈中的其它所有的notifier_block
*/
static RAW_NOTIFIER_HEAD(test_chain);

/*
* 自定義的注冊函數，將notifier_block節點加到剛剛定義的test_chain這個鏈表中來
* raw_notifier_chain_register會調用notifier_chain_register
*/
int register_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{
return raw_notifier_chain_register(&test_chain, nb);
}
EXPORT_SYMBOL(register_test_notifier);

int unregister_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{
return raw_notifier_chain_unregister(&test_chain, nb);
}
EXPORT_SYMBOL(unregister_test_notifier);

/*
* 自定義的通知鏈表的函數，即通知test_chain指向的鏈表中的所有節點執行相應的函數
*/
int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void *v)
{
return raw_notifier_call_chain(&test_chain, val, v);
}
EXPORT_SYMBOL(test_notifier_call_chain);

/*
* init and exit
*/
static int __init init_notifier(void)
{
printk("init_notifier\n");
return 0;
}

static void __exit exit_notifier(void)
{
printk("exit_notifier\n");
}

module_init(init_notifier);
module_exit(exit_notifier);

代碼2regchain.c。該代碼的作用是將test_notifier1test_notifier2test_notifier3這三個節點加到之前定義的test_chain這個通知鏈表上，同時每個節點都注冊了一個函數：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL");

/*
* 注冊通知鏈
*/
extern int register_test_notifier(struct notifier_block*);
extern int unregister_test_notifier(struct notifier_block*);

static int test_event1(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)
{
printk("In Event 1: Event Number is %d\n", event);
return 0;
}

static int test_event2(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)
{
printk("In Event 2: Event Number is %d\n", event);
return 0;
}

static int test_event3(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)
{
printk("In Event 3: Event Number is %d\n", event);
return 0;
}

/*
* 事件1，該節點執行的函數為test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier1 =
{
.notifier_call = test_event1,
};

/*
* 事件2，該節點執行的函數為test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier2 =
{
.notifier_call = test_event2,
};

/*
* 事件3，該節點執行的函數為test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier3 =
{
.notifier_call = test_event3,
};

/*
* 對這些事件進行注冊
*/
static int __init reg_notifier(void)
{
int err;
printk("Begin to register:\n");

err = register_test_notifier(&test_notifier1);
if (err)
{
printk("register test_notifier1 error\n");
return -1;
}
printk("register test_notifier1 completed\n");

err = register_test_notifier(&test_notifier2);
if (err)
{
printk("register test_notifier2 error\n");
return -1;
}
printk("register test_notifier2 completed\n");

err = register_test_notifier(&test_notifier3);
if (err)
{
printk("register test_notifier3 error\n");
return -1;
}
printk("register test_notifier3 completed\n");

return err;
}

/*
* 卸載剛剛注冊了的通知鏈
*/
static void __exit unreg_notifier(void)
{
printk("Begin to unregister\n");
unregister_test_notifier(&test_notifier1);
unregister_test_notifier(&test_notifier2);
unregister_test_notifier(&test_notifier3);
printk("Unregister finished\n");
}

module_init(reg_notifier);
module_exit(unreg_notifier);

代碼3notify.c。該代碼的作用就是向test_chain通知鏈中發送消息，讓鏈中的函數運行：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL");

extern int test_notifier_call_chain(unsigned long val, void *v);

/*
* 向通知鏈發送消息以觸發注冊了的函數
*/
static int __init call_notifier(void)
{
int err;
printk("Begin to notify:\n");

/*
* 調用自定義的函數，向test_chain鏈發送消息
*/
printk("==============================\n");
err = test_notifier_call_chain(1, NULL);
printk("==============================\n");
if (err)
printk("notifier_call_chain error\n");
return err;
}

static void __exit uncall_notifier(void)
{
printk("End notify\n");
}

module_init(call_notifier);
module_exit(uncall_notifier);

Makefile文件：

obj-m:=buildchain.o regchain.o notify.o
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)
KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)

all:
make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:

make -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

運行（注意insmod要root權限）：

make

insmod buildchain.ko
insmod regchain.ko
insmod notify.ko

這樣就可以看到通知鏈運行的效果了：

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