Linux内核通知链(Notifier)

引入

在linux内核中，各个子系统之间有很强的相互关系，某些子系统可能对其他子系统产生的事件比较感兴趣。因此内核引入了notifier机制，当然了notifier机制只能用在内核子系统之间，不能用在内核与应用层之间。比如当系统suspend的时候，就会使用到notifier机制来通知系统的内核线程进行suspend。

内核实现的notifier机制代码位于kernel/kernel/notifier.c，同时此机制的代码量也不是很多只有600行左右。

数据结构

内核使用struct notifier_block结构代表一个notifier

typedef int (*notifier_fn_t)(struct notifier_block *nb,unsigned long action, void *data);struct notifier_block {notifier_fn_t notifier_call;struct notifier_block __rcu *next;int priority;
};

notifier_call: 代表当事件发生之后调用的回调函数。

next: 用来链接同一个类型的notifier。

priority: notifier chain的优先级。对应的数字越大优先级越高，就优先执行。

同时内核也提供了四种不同类型的notifier chain

原子通知链(Atomic notifier chains)

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

可以看到原子notifier chain只是对notifier_block的一个封装。同时atomic notifier chain的回调函数需要运行在中断上下文/原子上下文中，而且不能睡眠。

很明显因为atomic_notifer_head其中的spin_lock的特点就是不能睡眠。

可阻塞通知链(Blocking notifier chains)

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

blocking_notifier_head其中包含了读写信号量成员rwsem，而信号量的特定就是运行在进程上下文，而且还可以睡眠。同理Blocking notifier chains的回调函数特征一样。

原始通知链(Raw notifier chains)

struct raw_notifier_head {struct notifier_block __rcu *head;
};

raw_notifier_head的特点是对回调函数，register, unregister都没有任何限制，所有的保护机制都需要调用者维护。

SRCU通知链(SRCU notifier chains）

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

SRCU通知链是block notifier chain的一种变体，采用SRCU(Sleepable Read-Copy Update)代替rw-semphore来保护chains

notifier chain初始化

内核提供了一套宏用来初始化各个类型的通知链

#define ATOMIC_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do {   \spin_lock_init(&(name)->lock);  \(name)->head = NULL;       \} while (0)
#define BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do {  \init_rwsem(&(name)->rwsem); \(name)->head = NULL;       \} while (0)
#define RAW_INIT_NOTIFIER_HEAD(name) do {   \(name)->head = NULL;       \} while (0)

以上是动态初始化各个类型的通知链，当然了有动态初始化，也就有静态初始化

#define ATOMIC_NOTIFIER_INIT(name) {               \.lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),  \.head = NULL }
#define BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name) {              \.rwsem = __RWSEM_INITIALIZER((name).rwsem),   \.head = NULL }
#define RAW_NOTIFIER_INIT(name) {               \.head = NULL }
/* srcu_notifier_heads cannot be initialized statically */#define ATOMIC_NOTIFIER_HEAD(name)                \struct atomic_notifier_head name =            \ATOMIC_NOTIFIER_INIT(name)
#define BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(name)                \struct blocking_notifier_head name =          \BLOCKING_NOTIFIER_INIT(name)
#define RAW_NOTIFIER_HEAD(name)                 \struct raw_notifier_head name =               \RAW_NOTIFIER_INIT(name)

通过注释可以知道SRCU通知链不能使用静态的方法，因此内核提供了一个动态的初始化函数，

void srcu_init_notifier_head(struct srcu_notifier_head *nh)
{mutex_init(&nh->mutex);if (init_srcu_struct(&nh->srcu) < 0)BUG();nh->head = NULL;
}

注册/注销通知链

内核提供的最基本的注册通知链的函数

/**   Notifier chain core routines.  The exported routines below* are layered on top of these, with appropriate locking added.*/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;
}

上述的操作就是通过判断priority的大小，然后将大的插入带链表头，小的插入在链表末尾。

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;
}

上述的注销函数，就是先找到此节点，然后从链表中删除的一个操作。

因为插入/删除操作都是临界资源，需要使用rcu机制保护起来。

同样，内核通过包装核心的注册/注销函数，实现了上述说的四种notifier chain

int atomic_notifier_chain_register(struct atomic_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)
int atomic_notifier_chain_unregister(struct atomic_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)int blocking_notifier_chain_register(struct blocking_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)
int blocking_notifier_chain_unregister(struct blocking_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)int raw_notifier_chain_register(struct raw_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)
int raw_notifier_chain_unregister(struct raw_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)int srcu_notifier_chain_register(struct srcu_notifier_head *nh,struct notifier_block *n).
int srcu_notifier_chain_unregister(struct srcu_notifier_head *nh,struct notifier_block *n)

通知函数

当某种事件需要发生的时候，就需要调用内核提供的通知函数notifier call函数，来通知注册过相应时间的子系统。

/*** notifier_call_chain - Informs the registered notifiers about an event.*  @nl:       Pointer to head of the blocking notifier chain* @val:      Value passed unmodified to notifier function*   @v:        Pointer passed unmodified to notifier function* @nr_to_call:   Number of notifier functions to be called. Don't care*         value of this parameter is -1.* @nr_calls: Records the number of notifications sent. Don't care*          value of this field is NULL.*   @returns:  notifier_call_chain returns the value returned by the*          last notifier function called.*/
static int 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_raw(*nl);while (nb && nr_to_call) {next_nb = rcu_dereference_raw(nb->next);ret = nb->notifier_call(nb, val, v);          //调用注册的回调函数if (nr_calls)(*nr_calls)++;if ((ret & NOTIFY_STOP_MASK) == NOTIFY_STOP_MASK)  //有停止的mask就返回，否则继续break;nb = next_nb;nr_to_call--;}return ret;
}

同样内核也提供了四个不同类型的通知函数

int atomic_notifier_call_chain(struct atomic_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v)
int blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v)
int raw_notifier_call_chain(struct raw_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v)
int srcu_notifier_call_chain(struct srcu_notifier_head *nh,unsigned long val, void *v)

示例分析

通过编写两个文件，一个用来注册事件，另一个用来通知事件。

notifier.c用来注册事件

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/notifier.h>BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(test_chain_head);
EXPORT_SYMBOL_GPL(test_chain_head);int register_test_notifier(struct notifier_block *nb)
{return blocking_notifier_chain_register(&test_chain_head, nb);
}int unregister_test_notifier(struct  notifier_block *nb)
{return blocking_notifier_chain_unregister(&test_chain_head, nb);
}static int test_chain_notify(struct notifier_block *nb,unsigned long mode, void *_unused)
{printk(KERN_EMERG "notifier: test_chain_notify!\n");        //回调处理函数return 0;
}static struct notifier_block test_chain_nb = {.notifier_call = test_chain_notify,
};static int notifier_test_init(void)
{printk(KERN_EMERG "notifier: notifier_test_init!\n");        register_test_notifier(&test_chain_nb);                       //注册notifier事件return 0;
}static void notifier_test_exit(void)
{printk(KERN_EMERG "notifier: notifier_test_exit!\n");unregister_test_notifier(&test_chain_nb);
}module_init(notifier_test_init);
module_exit(notifier_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

call.c用来触发事件。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/notifier.h>extern struct blocking_notifier_head test_chain_head;static int call_notifier_call_chain(unsigned long val)
{int ret = blocking_notifier_call_chain(&test_chain_head, val, NULL);return notifier_to_errno(ret);
}static int call_test_init(void)
{printk(KERN_EMERG "notifier: call_test_init!\n");call_notifier_call_chain(123); //在init函数中触发事件return 0;
}static void call_test_exit(void)
{printk(KERN_EMERG "notifier: call_test_exit!\n");
}
module_init(call_test_init);
module_exit(call_test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

测试结构如下：

root@test:/data # insmod notifier.ko
root@test:/data # insmod call.ko
root@test:/data # dmesg | grep "notifier"
[   89.644596] c7 notifier: notifier_test_init!
[   95.956801] c6 notifier: call_test_init!
[   95.960624] c6 notifier: test_chain_notify!