Linux 内核通知链机制的原理及实现

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.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:

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

2.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:

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

3.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:

struct raw_notifier_head 
{
    struct notifier_block *head;
};

4.SRCU 通知链( SRCU notifier chains ):可阻塞通知链的一种变体。对应的链表头:

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

通知链的核心结构:

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:

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:

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):

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;
}

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:

#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/notifier.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

/*
* 定义自己的通知链头结点以及注册和卸载通知链的外包函数
*/

/*
* RAW_NOTIFIER_HEAD是定义一个通知链的头部结点,
* 通过这个头部结点可以找到这个链中的其它所有的notifier_block
*/
static RAW_NOTIFIER_HEAD(test_chain);

/*
* 自定义的注册函数,将notifier_block节点加到刚刚定义的test_chain这个链表中来
* raw_notifier_chain_register会调用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);

/*
* 自定义的通知链表的函数,即通知test_chain指向的链表中的所有节点执行相应的函数
*/
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:

#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/notifier.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

/*
* 注册通知链
*/
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,该节点执行的函数为test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier1 =
{
    .notifier_call = test_event1,
};

/*
* 事件2,该节点执行的函数为test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier2 =
{
    .notifier_call = test_event2,
};

/*
* 事件3,该节点执行的函数为test_event1
*/
static struct notifier_block test_notifier3 =
{
    .notifier_call = test_event3,
};

/*
* 对这些事件进行注册
*/
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;
}

/*
* 卸载刚刚注册了的通知链
*/
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:

#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/notifier.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

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

/*
* 向通知链发送消息以触发注册了的函数
*/
static int __init call_notifier(void)
{
  int err;
  printk("Begin to notify:\n");

  /*
  * 调用自定义的函数,向test_chain链发送消息
  */
  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

运行(注意insmod要root权限):

make

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

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

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