嵌入式linux中文站向大家介紹一種從 Linux 內(nèi)核到用戶空間的高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)relay。通過(guò)用戶定義的 relay 通道，內(nèi)核空間的程序能夠高效、可靠、便捷地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g。Relay 特別適用于內(nèi)核空間有大量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)接脩艨臻g的情形，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在內(nèi)核調(diào)試工具如 SystemTap中。本文介紹了 Relay 的歷史和原理，并且用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例介紹了 Relay 的具體用法。

Relay 要解決的問(wèn)題

對(duì)于任何在內(nèi)核工作的程序而言，如何把大量的調(diào)試信息從內(nèi)核空間傳輸?shù)接脩艨臻g都是一個(gè)大麻煩，對(duì)于運(yùn)行中的內(nèi)核更是如此。特別是對(duì)于哪些用于調(diào)試內(nèi)核性能的工具，更是如此。

對(duì)于這種大量數(shù)據(jù)需要在內(nèi)核中緩存并傳輸?shù)接脩艨臻g需求，很多傳統(tǒng)的方法都已到達(dá)了極限，例如內(nèi)核程序員很熟悉的 printk() 調(diào)用。此外，如果不同的內(nèi)核子系統(tǒng)都開(kāi)發(fā)自己的緩存和傳輸代碼，造成很大的代碼冗余，而且也帶來(lái)維護(hù)上的困難。

這些，都要求開(kāi)發(fā)一套能夠高效可靠地將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間轉(zhuǎn)發(fā)到用戶空間的系統(tǒng)，而且這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該獨(dú)立于各個(gè)調(diào)試子系統(tǒng)。這樣就誕生了 RelayFS。

Relay的發(fā)展歷史

Relay 的前身是 RelayFS，即作為 Linux 的一個(gè)新型文件系統(tǒng)。2003年3月，RelayFS的第一個(gè)版本的代碼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，在7月14日，第一個(gè)針對(duì)2.6內(nèi)核的版本也開(kāi)始提供下載。經(jīng)過(guò)廣泛的試用和改進(jìn)，直到2005年9月，RelayFS才被加入mainline內(nèi)核(2.6.14)。同時(shí)，RelayFS也被移植到2.4內(nèi)核中。在 2006年2月，從2.6.17開(kāi)始，RelayFS不再作為單獨(dú)的文件系統(tǒng)存在，而是成為內(nèi)核的一部分。它的源碼也從fs/目錄下轉(zhuǎn)移到 kernel/relay.c中，名稱中也從RelayFS改成了Relay。

RelayFS目前已經(jīng)被越來(lái)越多的內(nèi)核工具使用，包括內(nèi)核調(diào)試工具SystemTap、LTT，以及一些特殊的文件系統(tǒng)例如DebugFS。

Relay的基本原理

總的說(shuō)來(lái)，Relay提供了一種機(jī)制，使得內(nèi)核空間的程序能夠通過(guò)用戶定義的relay通道(channel)將大量數(shù)據(jù)高效的傳輸?shù)接脩艨臻g。

一個(gè)relay通道由一組和CPU一一對(duì)應(yīng)的內(nèi)核緩沖區(qū)組成。這些緩沖區(qū)又被稱為relay緩沖區(qū)(buffer)，其中的每一個(gè)在用戶空間都用一個(gè)常規(guī)文件來(lái)表示，這被叫做relay文件(file)。內(nèi)核空間的用戶可以利用relay提供的API接口來(lái)寫入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)的寫入當(dāng)前的 CPU id對(duì)應(yīng)的那個(gè)relay緩沖區(qū)；同時(shí)，這些緩沖區(qū)從用戶空間看來(lái)，是一組普通文件，可以直接使用read()進(jìn)行讀取，也可以使用mmap()進(jìn)行映射。Relay并不關(guān)心數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容，這些完全依賴于使用relay的用戶程序。Relay的目的是提供一個(gè)足夠簡(jiǎn)單的接口，從而使得基本操作盡可能的高效。

Relay將數(shù)據(jù)的讀和寫分離，使得突發(fā)性大量數(shù)據(jù)寫入的時(shí)候，不需要受限于用戶空間相對(duì)較慢的讀取速度，從而大大提高了效率。Relay作為寫入和讀取的橋梁，也就是將內(nèi)核用戶寫入的數(shù)據(jù)緩存并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶空間的程序。這種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制也正是Relay這個(gè)名稱的由來(lái)。

這里的relay通道由四個(gè)relay緩沖區(qū)(kbuf0到kbuf3)組成，分別對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中的cpu0到cpu1。每個(gè)CPU上的代碼調(diào)用relay_write()的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)寫入自己對(duì)應(yīng)的relay緩沖區(qū)內(nèi)。每個(gè)relay緩沖區(qū)稱一個(gè)relay文件，即/cpu0到 /cpu3。當(dāng)文件系統(tǒng)被mount到/mnt/以后，這個(gè)relay文件就被映射成映射到用戶空間的地址空間。一旦數(shù)據(jù)可用，用戶程序就可以把它的數(shù)據(jù)讀出來(lái)寫入到硬盤上的文件中，即cpu0.out到cpu3.out。

Relay的主要API

前面提到的 relay_write() 就是 relay API 之一。除此以外，Relay 還提供了更多的 API來(lái)支持用戶程序完整的使用 relay。這些 API，主要按照面向用戶空間和面向內(nèi)核空間分為兩大類，下面我們來(lái)分別進(jìn)行介紹。

面向用戶空間的 API

這些 Relay 編程接口向用戶空間程序提供了訪問(wèn) relay 通道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的基本操作的入口，包括：

●open() - 允許用戶打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)存在的通道緩沖區(qū)。

●mmap() - 使通道緩沖區(qū)被映射到位于用戶空間的調(diào)用者的地址空間。要特別注意的是，我們不能僅對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行映射。也就是說(shuō)，必須映射整個(gè)緩沖區(qū)文件，其大小是 CPU的個(gè)數(shù)和單個(gè) CPU 緩沖區(qū)大小的乘積。

●read() - 讀取通道緩沖區(qū)的內(nèi)容。這些數(shù)據(jù)一旦被讀出，就意味著他們被用戶空間的程序消費(fèi)掉了，也就不能被之后的讀操作看到。

●sendfile() - 將數(shù)據(jù)從通道緩沖區(qū)傳輸?shù)揭粋€(gè)輸出文件描述符。其中可能的填充字符會(huì)被自動(dòng)去掉，不會(huì)被用戶看到。

●poll() - 支持 POLLIN/POLLRDNORM/POLLERR 信號(hào)。每次子緩沖區(qū)的邊界被越過(guò)時(shí)，等待著的用戶空間程序會(huì)得到通知。

●close() - 將通道緩沖區(qū)的引用數(shù)減1。當(dāng)引用數(shù)減為0時(shí)，表明沒(méi)有進(jìn)程或者內(nèi)核用戶需要打開(kāi)它，從而這個(gè)通道緩沖區(qū)被釋放。

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