Linux內(nèi)核中的設(shè)計(jì)模式

在軟件開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)模式是一種被廣泛應(yīng)用的解決問(wèn)題的方法。設(shè)計(jì)模式可以幫助開(kāi)發(fā)人員有效地解決軟件設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，提高軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)也能提高代碼的可讀性和可重用性。

而在Linux內(nèi)核的開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)模式也扮演了重要的角色。Linux內(nèi)核作為一個(gè)開(kāi)源操作系統(tǒng)內(nèi)核，其內(nèi)部架構(gòu)復(fù)雜，代碼龐大，設(shè)計(jì)模式在其中的應(yīng)用也十分廣泛。

本文將介紹一些常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用，以及它們?cè)趦?nèi)核中的具體實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)本文的介紹，讀者可以更加深入地了解Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并學(xué)習(xí)如何應(yīng)用設(shè)計(jì)模式來(lái)提高自己的軟件開(kāi)發(fā)能力。

01單例模式

在Linux內(nèi)核中，單例模式（Singleton Pattern）被廣泛使用，主要用于管理內(nèi)核的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保它們只被創(chuàng)建一次，避免資源浪費(fèi)和不必要的競(jìng)爭(zhēng)。

1.1使用場(chǎng)景

在Linux內(nèi)核中，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于表示系統(tǒng)的各種狀態(tài)和配置，如進(jìn)程表、文件系統(tǒng)等。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要在整個(gè)系統(tǒng)中被訪問(wèn)和修改，因此需要被全局共享。但是，如果這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不是單例模式，就可能會(huì)被多次創(chuàng)建，導(dǎo)致浪費(fèi)系統(tǒng)資源和引入不必要的競(jìng)爭(zhēng)。因此，單例模式是管理全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種常用方式。

在Linux內(nèi)核中，為了保證資源的安全性和一致性，單例模式被廣泛應(yīng)用于管理各種資源，例如：

1. 驅(qū)動(dòng)程序管理設(shè)備資源： 在Linux內(nèi)核中，驅(qū)動(dòng)程序是管理設(shè)備資源的重要組成部分。每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都需要管理特定設(shè)備的資源，例如設(shè)備寄存器、內(nèi)存和I/O端口等。為了避免重復(fù)的資源分配，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)實(shí)例即可，這就可以使用單例模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2. 內(nèi)存分配器管理系統(tǒng)內(nèi)存： 內(nèi)存分配器是Linux內(nèi)核中另一個(gè)重要的資源管理器。為了保證系統(tǒng)內(nèi)存的安全和一致性，內(nèi)存分配器也需要使用單例模式來(lái)保證只有一個(gè)實(shí)例來(lái)管理內(nèi)存分配。在Linux內(nèi)核中，內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)通常使用slab分配器，slab分配器是一種高效的內(nèi)存管理機(jī)制。它使用單例模式來(lái)保證系統(tǒng)中只有一個(gè)實(shí)例來(lái)管理內(nèi)存分配和釋放。每個(gè)slab分配器實(shí)例包含多個(gè)slab緩存，每個(gè)緩存用于管理一類(lèi)大小相同的內(nèi)存塊。

1.2實(shí)現(xiàn)方式

在Linux內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)單例模式的方式有以下幾種：

1. 全局變量 ：全局變量是實(shí)現(xiàn)單例模式最常用的方法之一。在Linux內(nèi)核中，可以定義一個(gè)全局變量來(lái)存儲(chǔ)單例實(shí)例。該變量可以使用static修飾符來(lái)限制其作用域，避免在其他文件中訪問(wèn)。然后在需要使用單例模式的地方，可以使用該變量來(lái)獲取單例實(shí)例。

2. 宏定義： 宏定義是另一種常用的實(shí)現(xiàn)單例模式的方法。在Linux內(nèi)核中，可以定義一個(gè)宏來(lái)獲取單例實(shí)例。該宏可以使用static變量來(lái)存儲(chǔ)單例實(shí)例，以避免在其他文件中訪問(wèn)。然后在需要使用單例模式的地方，可以使用該宏來(lái)獲取單例實(shí)例。

3. 函數(shù)封裝： 函數(shù)封裝是實(shí)現(xiàn)單例模式的一種靈活方式。在Linux內(nèi)核中，可以定義一個(gè)函數(shù)來(lái)獲取單例實(shí)例，并使用static變量來(lái)存儲(chǔ)單例實(shí)例。該函數(shù)可以使用鎖來(lái)保證線程安全性，避免多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)單例實(shí)例。

以上是Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)單例模式的常用方式。這些方式都可以保證只有一個(gè)實(shí)例存在，并在需要使用實(shí)例時(shí)提供訪問(wèn)接口。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式。

1.3進(jìn)程管理中的init進(jìn)程

在Linux內(nèi)核中，init進(jìn)程是所有用戶進(jìn)程的祖先進(jìn)程，它是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的第一個(gè)進(jìn)程，也是進(jìn)程管理中的重要組成部分。在進(jìn)程管理中，Linux內(nèi)核使用了單例模式來(lái)確保init進(jìn)程的唯一性。

在Linux內(nèi)核源碼中，init進(jìn)程的唯一性通過(guò)task_struct結(jié)構(gòu)體中的靜態(tài)指針init_task來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)程管理子系統(tǒng)中，init_task是一個(gè)全局變量，它被用來(lái)保存init進(jìn)程的進(jìn)程描述符（task_struct）的指針。當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，init_task被初始化為一個(gè)新的進(jìn)程描述符，并在init進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，將init_task指針設(shè)置為該進(jìn)程的進(jìn)程描述符。

由于init_task是一個(gè)全局變量，因此在系統(tǒng)運(yùn)行期間，只能有一個(gè)init進(jìn)程存在，從而實(shí)現(xiàn)了單例模式的效果。

下面是Linux內(nèi)核源碼中關(guān)于init_task的定義和使用示例：

struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task); // 定義全局變量init_task


// 進(jìn)程管理子系統(tǒng)中的初始化函數(shù)
void __init fork_init(void)
{
    ...
    pid = pid_nr(__task_pid(current)); // 獲取當(dāng)前進(jìn)程的pid
    task = alloc_task_struct(); // 分配新的進(jìn)程描述符
    ...
    if (pid == 1) {
        /*
         * This will be cleaned up by init when it calls
         * delete_module.  But we still clean it up on
         * normal exit as well.
         */
        init_task = *task; // 將init_task指針設(shè)置為該進(jìn)程的進(jìn)程描述符
        kthread_create_on_node(init, 0, NULL, 0, NULL, 0); // 創(chuàng)建init進(jìn)程
    }
    ...
}

在上面的代碼中，alloc_task_struct()函數(shù)用于分配新的進(jìn)程描述符，kthread_create_on_node()函數(shù)用于創(chuàng)建新的內(nèi)核線程。當(dāng)當(dāng)前進(jìn)程的pid為1時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前進(jìn)程為init進(jìn)程，此時(shí)將init_task指針設(shè)置為該進(jìn)程的進(jìn)程描述符，并調(diào)用kthread_create_on_node()函數(shù)來(lái)創(chuàng)建init進(jìn)程。

通過(guò)這樣的方式，Linux內(nèi)核確保了系統(tǒng)中只有一個(gè)init進(jìn)程存在，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程管理中的單例模式。

02工廠模式

工廠模式是一種創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式，其目的是創(chuàng)建對(duì)象而不是直接通過(guò)new關(guān)鍵字來(lái)實(shí)例化對(duì)象。

2.1使用場(chǎng)景

在Linux內(nèi)核中，工廠模式通常用于以下場(chǎng)景：

1. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)： 在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常需要使用設(shè)備對(duì)象來(lái)與硬件設(shè)備進(jìn)行交互。使用工廠模式可以在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，而不是預(yù)先實(shí)例化所有可能的設(shè)備對(duì)象。這可以大大減少內(nèi)存使用，并提高系統(tǒng)性能。

2. 系統(tǒng)調(diào)用： Linux內(nèi)核中的系統(tǒng)調(diào)用通常需要返回一個(gè)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如file或socket。使用工廠模式可以在系統(tǒng)調(diào)用被調(diào)用時(shí)創(chuàng)建這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)更加靈活。

3. 內(nèi)存管理： Linux內(nèi)核中的內(nèi)存管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行分配和管理。使用工廠模式可以動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和管理不同類(lèi)型的內(nèi)存分配器，從而使內(nèi)存管理更加高效。

2.2實(shí)現(xiàn)方式

在Linux內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)工廠模式的方式主要有兩種：函數(shù)指針和宏定義。下面分別介紹這兩種方式的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1. 函數(shù)指針

在使用函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)工廠模式時(shí)，需要定義一個(gè)函數(shù)指針類(lèi)型，用于指向?qū)嶋H創(chuàng)建對(duì)象的函數(shù)。然后，可以定義一個(gè)工廠函數(shù)，該函數(shù)接受一個(gè)函數(shù)指針作為參數(shù)，并在需要時(shí)調(diào)用該函數(shù)指針來(lái)創(chuàng)建對(duì)象。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼：

typedef struct {
    int type;
    void *data;
} Object;


typedef Object *(*CreateObjectFunc)(void);


Object *create_object(CreateObjectFunc create_func)
{
    Object *obj = NULL;


    if (create_func != NULL) {
        obj = create_func();
    }


    return obj;
}


Object *create_object_type1(void)
{
    Object *obj = NULL;


    obj = kmalloc(sizeof(Object), GFP_KERNEL);
    if (obj != NULL) {
        obj- >type = 1;
        obj- >data = NULL;
    }


    return obj;
}


Object *create_object_type2(void)
{
    Object *obj = NULL;


    obj = kmalloc(sizeof(Object), GFP_KERNEL);
    if (obj != NULL) {
        obj- >type = 2;
        obj- >data = NULL;
    }


    return obj;
}


// 使用示例
Object *obj1 = create_object(create_object_type1);
Object *obj2 = create_object(create_object_type2);

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)Object結(jié)構(gòu)體，表示要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象。然后，定義了一個(gè)函數(shù)指針類(lèi)型CreateObjectFunc，用于指向?qū)嶋H創(chuàng)建對(duì)象的函數(shù)。接著，定義了一個(gè)create_object函數(shù)，該函數(shù)接受一個(gè)CreateObjectFunc類(lèi)型的函數(shù)指針作為參數(shù)，并在需要時(shí)調(diào)用該函數(shù)指針來(lái)創(chuàng)建對(duì)象。最后，我們定義了兩個(gè)實(shí)際創(chuàng)建對(duì)象的函數(shù)create_object_type1和create_object_type2，并使用create_object函數(shù)來(lái)創(chuàng)建對(duì)象。

2. 宏定義

在使用宏定義實(shí)現(xiàn)工廠模式時(shí)，可以定義一組宏，每個(gè)宏都代表一個(gè)特定類(lèi)型的對(duì)象。然后，可以使用這些宏來(lái)創(chuàng)建對(duì)象。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼：

#define CREATE_OBJECT_TYPE1() ({ \\
    Object *obj = kmalloc(sizeof(Object), GFP_KERNEL); \\
    if (obj != NULL) { \\
        obj- >type = 1; \\
        obj- >data = NULL; \\
    } \\
    obj; \\
})


#define CREATE_OBJECT_TYPE2() ({ \\
    Object *obj = kmalloc(sizeof(Object), GFP_KERNEL); \\
    if (obj != NULL) { \\
        obj- >type = 2; \\
        obj- >data = NULL; \\
    } \\
    obj; \\
})


// 使用示例
Object *obj1 = CREATE_OBJECT_TYPE1();
Object *obj2 = CREATE_OBJECT_TYPE2();

在上面的代碼中，我們定義了兩個(gè)宏CREATE_OBJECT_TYPE1和CREATE_OBJECT_TYPE2，分別代表創(chuàng)建類(lèi)型1和類(lèi)型2的對(duì)象。這些宏使用了C語(yǔ)言的語(yǔ)法擴(kuò)展，包括大括號(hào)表達(dá)式和逗號(hào)表達(dá)式。

2.3字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的file_operations結(jié)構(gòu)體

在Linux內(nèi)核中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的file_operations結(jié)構(gòu)體是一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)體，用于定義字符設(shè)備的操作函數(shù)。在驅(qū)動(dòng)程序加載時(shí)，內(nèi)核會(huì)為每個(gè)打開(kāi)的設(shè)備文件分配一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，并將其與相應(yīng)的file_operations結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備文件的操作。因此，在字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，通常會(huì)使用工廠模式來(lái)創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體。下面結(jié)合代碼來(lái)介紹這個(gè)過(guò)程。

首先，我們需要定義一個(gè)工廠函數(shù)，用于創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼：

static struct file_operations *create_file_ops(void)
{
    struct file_operations *ops = kmalloc(sizeof(struct file_operations), GFP_KERNEL);


    if (ops == NULL) {
        return NULL;
    }


    ops- >owner = THIS_MODULE;
    ops- >open = my_open;
    ops- >read = my_read;
    ops- >write = my_write;
    ops- >release = my_release;


    return ops;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)名為create_file_ops的函數(shù)，用于創(chuàng)建一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)使用kmalloc函數(shù)來(lái)分配內(nèi)存，并將結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員設(shè)置為相應(yīng)的操作函數(shù)。這里我們只設(shè)置了幾個(gè)常見(jiàn)的成員，實(shí)際上還有很多其他的成員可以設(shè)置，具體可以參考Linux內(nèi)核源碼中的定義。

接著，我們可以在驅(qū)動(dòng)程序的init函數(shù)中調(diào)用create_file_ops函數(shù)來(lái)創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體，并將其與設(shè)備文件關(guān)聯(lián)起來(lái)。下面是一個(gè)示例代碼：

static int __init my_init(void)
{
    int ret;


    // 創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體
    struct file_operations *ops = create_file_ops();
    if (ops == NULL) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate file operations\\n");
        return -ENOMEM;
    }


    // 注冊(cè)字符設(shè)備
    ret = alloc_chrdev_region(&my_dev, 0, 1, "my_dev");
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\\n");
        kfree(ops);
        return ret;
    }


    // 初始化字符設(shè)備
    cdev_init(&my_cdev, ops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;


    // 添加字符設(shè)備
    ret = cdev_add(&my_cdev, my_dev, 1);
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to add character device\\n");
        unregister_chrdev_region(my_dev, 1);
        kfree(ops);
        return ret;
    }


    return 0;
}

在上面的代碼中，我們先調(diào)用create_file_ops函數(shù)來(lái)創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體，然后在注冊(cè)字符設(shè)備和初始化字符設(shè)備時(shí)將其與設(shè)備文件關(guān)聯(lián)起來(lái)。如果創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體失敗，我們需要釋放已分配的內(nèi)存，并返回錯(cuò)誤。如果注冊(cè)字符設(shè)備或初始化字符設(shè)備失敗，我們同樣需要釋放已分配的內(nèi)存，并返回錯(cuò)誤。

注意，在卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，我們需要釋放file_operations結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存，以避免內(nèi)存泄漏。下面是一個(gè)示例代碼：

static void __exit my_exit(void)
{
    // 刪除字符設(shè)備
    cdev_del(&my_cdev);


    // 釋放設(shè)備號(hào)
    unregister_chrdev_region(my_dev, 1);


    // 釋放file_operations結(jié)構(gòu)體
    kfree(my_cdev.ops);
}


module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

在上面的代碼中，我們?cè)谛遁d驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，先刪除字符設(shè)備，然后釋放設(shè)備號(hào)和file_operations結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存。注意，我們需要使用my_cdev.ops來(lái)訪問(wèn)file_operations結(jié)構(gòu)體，因?yàn)樗谴鎯?chǔ)在my_cdev中的。

總的來(lái)說(shuō)，使用工廠模式來(lái)創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體可以使代碼更加模塊化和可維護(hù)，而且可以方便地定制設(shè)備文件的操作函數(shù)。Linux內(nèi)核源碼中的許多字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)都采用了這種設(shè)計(jì)模式，例如drivers/tty/tty_io.c中的tty_fops和drivers/char/misc.c中的misc_fops。

2.4塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的request_queue結(jié)構(gòu)體

在Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，request_queue結(jié)構(gòu)體是負(fù)責(zé)管理和調(diào)度塊設(shè)備請(qǐng)求的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。它負(fù)責(zé)將請(qǐng)求添加到隊(duì)列中，然后按照某種算法進(jìn)行調(diào)度，以便將它們傳遞給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理。

request_queue結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建和初始化通常是由塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)的。在這個(gè)過(guò)程中，常常會(huì)使用工廠模式來(lái)創(chuàng)建和初始化request_queue結(jié)構(gòu)體。

首先，我們需要在驅(qū)動(dòng)程序中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于存儲(chǔ)request_queue結(jié)構(gòu)體的相關(guān)信息，例如：

struct my_device {
    struct request_queue *queue;
    // 其他成員變量
};

接下來(lái)，我們需要編寫(xiě)一個(gè)工廠函數(shù)，用于創(chuàng)建request_queue結(jié)構(gòu)體并將其與我們的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)。這個(gè)函數(shù)通常被命名為my_init_queue，代碼示例如下：

static int my_init_queue(struct my_device *dev)
{
    struct request_queue *q;


    // 分配request_queue結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存
    q = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
    if (!q)
        return -ENOMEM;


    // 設(shè)置request_queue的一些屬性
    blk_queue_logical_block_size(q, 512);
    blk_queue_physical_block_size(q, 512);
    blk_queue_max_segments(q, 128);
    // 其他設(shè)置...


    // 將request_queue與我們的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)
    dev- >queue = q;


    return 0;
}

在上面的代碼中，我們使用blk_alloc_queue函數(shù)來(lái)分配request_queue結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存，并設(shè)置一些request_queue的屬性。然后，我們將request_queue與我們的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)，以便在以后的操作中可以方便地訪問(wèn)它。

最后，我們需要在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)中調(diào)用my_init_queue函數(shù)來(lái)創(chuàng)建和初始化request_queue結(jié)構(gòu)體。代碼示例如下：

static int __init my_init(void)
{
    int ret;
    struct my_device *dev;


    // 分配和注冊(cè)一個(gè)塊設(shè)備
    ret = register_blkdev(my_major, "my_device");
    if (ret < 0)
        return ret;


    // 分配my_device結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存
    dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);
    if (!dev) {
        unregister_blkdev(my_major, "my_device");
        return -ENOMEM;
    }


    // 初始化request_queue
    ret = my_init_queue(dev);
    if (ret < 0) {
        kfree(dev);
        unregister_blkdev(my_major, "my_device");
        return ret;
    }


    // 其他初始化操作...


    return 0;
}


static void __exit my_exit(void)
{
    struct my_device *dev;


    // 獲取my_device結(jié)構(gòu)體
    dev = container_of(my_disk- >queue, struct my_device, queue);


    // 釋放request_queue結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存
    blk_cleanup_queue(dev- >queue);


    // 其他清理操作...
}


module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

在上面的代碼中，我們?cè)趍y_init函數(shù)中調(diào)用my_init_queue函數(shù)來(lái)創(chuàng)建和初始化request_queue結(jié)構(gòu)體，并將其與我們的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)。在my_exit函數(shù)中，我們使用blk_cleanup_queue函數(shù)釋放request_queue結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存，以及執(zhí)行其他的清理操作。

總的來(lái)說(shuō)，工廠模式在Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用比較廣泛，它可以幫助我們方便地創(chuàng)建和初始化request_queue結(jié)構(gòu)體，并將其與我們的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)。這樣，我們就可以在以后的操作中方便地訪問(wèn)request_queue，從而更好地管理和調(diào)度塊設(shè)備請(qǐng)求。

03享元模式

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，享元模式是一種結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，它的主要目的是通過(guò)共享盡可能多的數(shù)據(jù)來(lái)減少系統(tǒng)中的內(nèi)存使用。這種模式通常適用于需要大量對(duì)象的場(chǎng)景，尤其是對(duì)象數(shù)量超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)存容量的情況。

3.1使用場(chǎng)景

在Linux內(nèi)核中，享元模式通常用于優(yōu)化內(nèi)存使用。在內(nèi)核中，有許多對(duì)象（如進(jìn)程、文件）需要占用內(nèi)存，如果每個(gè)對(duì)象都占用獨(dú)立的內(nèi)存，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存的浪費(fèi)。而享元模式通過(guò)共享相同的內(nèi)存對(duì)象來(lái)避免這種浪費(fèi)。

具體來(lái)說(shuō)，Linux內(nèi)核中常用的享元模式應(yīng)用場(chǎng)景有：

1. 內(nèi)存頁(yè)（page）的管理： 在Linux內(nèi)核中，內(nèi)存頁(yè)（page）是內(nèi)存管理的最小單位。為了有效地管理內(nèi)存頁(yè)，Linux內(nèi)核使用了一個(gè)被稱(chēng)為"伙伴系統(tǒng)"的算法，它通過(guò)將內(nèi)存頁(yè)劃分成一系列大小相等的塊，并且以2的冪次方來(lái)對(duì)其進(jìn)行分組，然后在每個(gè)組中，使用享元模式共享相同大小的塊。這種方式可以避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，并且提高內(nèi)存使用效率。

2. 文件系統(tǒng)緩存： 在Linux內(nèi)核中，文件系統(tǒng)緩存通常使用了一種被稱(chēng)為"頁(yè)面高速緩存"（Page Cache）的機(jī)制來(lái)管理文件系統(tǒng)的緩存。Page Cache使用了享元模式，它將相同的文件頁(yè)面映射到同一個(gè)物理內(nèi)存塊中，并且使用引用計(jì)數(shù)來(lái)跟蹤頁(yè)面的使用情況。這種方式可以避免同一個(gè)文件頁(yè)面被多次緩存，從而節(jié)省了內(nèi)存空間。

3. 進(jìn)程管理： 在Linux內(nèi)核中，進(jìn)程管理也使用了享元模式。具體來(lái)說(shuō)，Linux將所有的進(jìn)程控制塊（PCB）放在一個(gè)表格中，并且使用一個(gè)唯一的進(jìn)程ID來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)進(jìn)程。這樣，當(dāng)有新的進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，Linux內(nèi)核可以快速地查找一個(gè)空閑的PCB，并且將其初始化，從而避免了為每個(gè)進(jìn)程分配獨(dú)立的內(nèi)存空間。

總的來(lái)說(shuō)，Linux內(nèi)核中的享元模式主要用于優(yōu)化內(nèi)存使用，通過(guò)共享相同的內(nèi)存對(duì)象來(lái)避免內(nèi)存浪費(fèi)，并且提高內(nèi)核的運(yùn)行效率。

3.2內(nèi)存管理中的slab分配器

在 Linux 內(nèi)存管理中，SLAB 分配器是一種常用的內(nèi)存分配方式。它使用了享元模式來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的高效管理。在這種模式下，內(nèi)核會(huì)預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的對(duì)象，這些對(duì)象可以被多個(gè)進(jìn)程或線程共享。這種方式可以減少內(nèi)存的分配和釋放次數(shù)，從而提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

SLAB 分配器由三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成：slab、slab_cache 和 kmem_cache。其中，slab 表示一塊內(nèi)存區(qū)域，它由若干個(gè)對(duì)象組成。slab_cache 表示一個(gè)對(duì)象的緩存池，它由多個(gè) slab 組成。kmem_cache 是一個(gè)全局的對(duì)象緩存池，它管理了所有 slab_cache。

在 SLAB 分配器中，對(duì)象的創(chuàng)建、銷(xiāo)毀和管理都是由 kmem_cache 來(lái)完成的。它負(fù)責(zé)創(chuàng)建 slab_cache 和 slab，將對(duì)象放入 slab 中，管理 slab 的狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)象的高效分配和回收等操作。

SLAB 分配器的實(shí)現(xiàn)方式非常復(fù)雜，涉及到多線程同步、內(nèi)存管理、緩存管理等方面的知識(shí)。下面我們以 kmem_cache_create 函數(shù)為例，簡(jiǎn)單介紹一下 SLAB 分配器的實(shí)現(xiàn)原理：

struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size, 
    size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *))
{
    struct kmem_cache *cachep;
    int err;

    cachep = kmem_cache_alloc(kmem_cache, flags);
    if (!cachep)
        return NULL;

    err = kmem_cache_init(cachep, name, size, align, flags, ctor);
    if (err) {
        kmem_cache_free(kmem_cache, cachep);
        cachep = NULL;
    }

    return cachep;
}

kmem_cache_create 函數(shù)的作用是創(chuàng)建一個(gè)新的緩存池，它首先調(diào)用 kmem_cache_alloc 函數(shù)從 kmem_cache 中分配一塊內(nèi)存，然后調(diào)用 kmem_cache_init 函數(shù)對(duì)緩存池進(jìn)行初始化。其中，kmem_cache_alloc 函數(shù)的作用是從 kmem_cache 中獲取一塊內(nèi)存，如果 kmem_cache 中沒(méi)有可用的內(nèi)存，則會(huì)重新申請(qǐng)一塊新的內(nèi)存。

kmem_cache_init 函數(shù)的作用是對(duì)緩存池進(jìn)行初始化，包括設(shè)置對(duì)象的大小、對(duì)齊方式、緩存池的名稱(chēng)等屬性，并且為緩存池創(chuàng)建一個(gè) slab_cache。slab_cache 的作用是管理緩存池中的 slab，它保存了所有 slab 的狀態(tài)信息，并且可以根據(jù)需要自動(dòng)分配或回收 slab。

3.3進(jìn)程管理中的進(jìn)程描述符（task_struct）

在 Linux 內(nèi)核中，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程描述符（task_struct），其中包含了進(jìn)程的各種信息，如進(jìn)程的狀態(tài)、進(jìn)程 ID、父進(jìn)程 ID、調(diào)度信息、文件描述符表等。由于每個(gè)進(jìn)程都需要一個(gè)進(jìn)程描述符，因此在 Linux 內(nèi)核中使用了享元模式來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程描述符的管理。

具體來(lái)說(shuō)，Linux 內(nèi)核中維護(hù)了一個(gè)全局的進(jìn)程描述符池，其中包含了所有的進(jìn)程描述符。當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建新的進(jìn)程時(shí)，內(nèi)核會(huì)從這個(gè)進(jìn)程描述符池中獲取一個(gè)可用的進(jìn)程描述符，然后根據(jù)需要對(duì)該進(jìn)程描述符進(jìn)行初始化。

在進(jìn)程結(jié)束后，進(jìn)程描述符會(huì)被釋放回進(jìn)程描述符池，以便下次可以再次使用。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼，展示了如何使用享元模式來(lái)管理進(jìn)程描述符：

struct task_struct {
    // 進(jìn)程狀態(tài)
    volatile long state;
    // 進(jìn)程 ID
    pid_t pid;
    // 父進(jìn)程 ID
    pid_t ppid;
    // 文件描述符表
    struct file *files[NR_OPEN_DEFAULT];
    // ... 其他信息
};


// 全局的進(jìn)程描述符池
static struct task_struct task[NR_TASKS];


// 獲取一個(gè)可用的進(jìn)程描述符
struct task_struct *get_task_struct(void) {
    int i;
    // 遍歷進(jìn)程描述符池，查找可用的進(jìn)程描述符
    for (i = 0; i < NR_TASKS; i++) {
        if (task[i].state == TASK_DEAD) {
            // 找到了可用的進(jìn)程描述符，返回它
            return &task[i];
        }
    }
    // 進(jìn)程描述符池已滿，返回 NULL
    return NULL;
}


// 釋放一個(gè)進(jìn)程描述符
void put_task_struct(struct task_struct *task) {
    // 將進(jìn)程描述符的狀態(tài)設(shè)置為 TASK_DEAD，表示它可以被重新使用
    task- >state = TASK_DEAD;
}

在上面的代碼中，我們使用了一個(gè)全局的進(jìn)程描述符池來(lái)存儲(chǔ)所有的進(jìn)程描述符。當(dāng)需要獲取一個(gè)可用的進(jìn)程描述符時(shí)，我們遍歷進(jìn)程描述符池，查找狀態(tài)為 TASK_DEAD 的進(jìn)程描述符。如果找到了可用的進(jìn)程描述符，則返回它；否則，返回 NULL。當(dāng)進(jìn)程結(jié)束時(shí)，我們將其對(duì)應(yīng)的進(jìn)程描述符的狀態(tài)設(shè)置為 TASK_DEAD，以便下次可以再次使用。

04適配器模式

適配器模式（Adapter Pattern）是一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式，它用于將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成另一個(gè)類(lèi)的接口，以滿足不同類(lèi)之間的兼容性需求。適配器模式在軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用十分廣泛，尤其在不同系統(tǒng)、不同框架、不同組件之間進(jìn)行接口兼容性的處理時(shí)，往往都需要使用適配器模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1使用場(chǎng)景

Linux內(nèi)核中適配器模式的使用場(chǎng)景比較廣泛，其中最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是針對(duì)不同類(lèi)型的硬件設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等）的驅(qū)動(dòng)程序中。由于這些硬件設(shè)備的接口和協(xié)議可能不同，因此需要將其轉(zhuǎn)換為一種標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，以便在Linux系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一的管理和使用。

例如，在Linux的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，使用適配器模式將不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如以太網(wǎng)卡、無(wú)線網(wǎng)卡等）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口協(xié)議（如Linux內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧所支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議），以便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸和接收。

另外，在Linux的存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，也使用了適配器模式將不同類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備（如硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)等）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的塊設(shè)備接口協(xié)議，以便在Linux系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一的管理和使用。

在Linux的虛擬文件系統(tǒng)體系中，文件系統(tǒng)適配器主要用于不同文件系統(tǒng)之間的交互。例如，Linux內(nèi)核中支持多種不同的文件系統(tǒng)類(lèi)型，例如ext4、NTFS、FAT等，不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)需要通過(guò)文件系統(tǒng)適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此之間的交互。

除此之外，適配器模式還可以應(yīng)用在其他的場(chǎng)景中，例如將不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的接口協(xié)議，或者將不同類(lèi)型的應(yīng)用程序適配為標(biāo)準(zhǔn)的API接口等。

4.2實(shí)現(xiàn)方式

適配器模式的實(shí)現(xiàn)方式有以下幾種：

1. 結(jié)構(gòu)體嵌套

適配器模式可以通過(guò)將適配對(duì)象嵌套在適配器中來(lái)實(shí)現(xiàn)。適配器可以定義一個(gè)新的接口，并將適配對(duì)象的接口轉(zhuǎn)換成新的接口。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼：

struct target_interface {
    int (*read)(void *buf, int len);
};


struct adaptee_interface {
    int (*get_data)(void **data);
};


struct adaptee {
    void *data;
};


struct adapter {
    struct target_interface *target;
    struct adaptee_interface *adaptee;
};


int target_read(void *buf, int len)
{
    struct adapter *adapter = (struct adapter *)buf;
    void *data;
    int ret;


    ret = adapter- >adaptee- >get_data(&data);
    if (ret < 0)
        return ret;


    /* Do something with data */


    return ret;
}

2. 函數(shù)指針

適配器模式還可以通過(guò)函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)。適配器可以定義一個(gè)新的函數(shù)，并將適配對(duì)象的函數(shù)轉(zhuǎn)換成新的函數(shù)。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼：

typedef int (*target_func_t)(void *buf, int len);


typedef int (*adaptee_func_t)(void **data);


struct adapter {
    target_func_t target_func;
    adaptee_func_t adaptee_func;
};


int target_read(void *buf, int len)
{
    struct adapter *adapter = (struct adapter *)buf;
    void *data;
    int ret;


    ret = adapter- >adaptee_func(&data);
    if (ret < 0)
        return ret;


    /* Do something with data */


    return ret;
}

4.3USB驅(qū)動(dòng)中的usb_driver結(jié)構(gòu)體

在Linux中，USB驅(qū)動(dòng)是一種常見(jiàn)的外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)類(lèi)型。針對(duì)不同的USB設(shè)備，驅(qū)動(dòng)需要提供不同的操作函數(shù)，比如打開(kāi)設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)等。然而，Linux內(nèi)核本身并不知道如何處理特定類(lèi)型的USB設(shè)備，需要外部的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這些操作函數(shù)。

這時(shí)就可以使用適配器模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。適配器模式能夠?qū)⒉煌慕涌谵D(zhuǎn)換為統(tǒng)一的接口，從而使得不同的模塊之間可以互相協(xié)作。在Linux中，USB驅(qū)動(dòng)需要將自己的操作函數(shù)和USB核心層提供的操作函數(shù)進(jìn)行適配，以便USB核心層能夠調(diào)用驅(qū)動(dòng)的函數(shù)來(lái)處理USB設(shè)備。

Linux中的usb_driver結(jié)構(gòu)體就是一個(gè)適配器模式的典型例子。它定義在include/linux/usb.h頭文件中，是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的核心結(jié)構(gòu)體，包含了一系列函數(shù)指針，這些函數(shù)指針對(duì)應(yīng)了USB設(shè)備的不同操作。USB核心層會(huì)根據(jù)設(shè)備的VID和PID等信息匹配到對(duì)應(yīng)的usb_driver結(jié)構(gòu)體，并調(diào)用其中的函數(shù)指針來(lái)完成USB設(shè)備的操作。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼，展示了一個(gè)usb_driver結(jié)構(gòu)體的定義及其初始化方式：

#include < linux/usb.h >


// 定義一個(gè)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)體
static struct usb_driver my_usb_driver = {
    .name = "my_usb_driver",  // 驅(qū)動(dòng)程序的名稱(chēng)
    .probe = my_usb_probe,    // 設(shè)備初始化函數(shù)
    .disconnect = my_usb_disconnect,  // 設(shè)備卸載函數(shù)
    .id_table = my_usb_id_table,  // 設(shè)備ID表
};


// 設(shè)備ID表，用于匹配設(shè)備
static const struct usb_device_id my_usb_id_table[] = {
    { USB_DEVICE(0x1234, 0x5678) },
    {},
};

上面的代碼中，my_usb_driver是一個(gè)usb_driver結(jié)構(gòu)體的實(shí)例，其中包含了設(shè)備的名稱(chēng)、設(shè)備初始化函數(shù)、設(shè)備卸載函數(shù)和設(shè)備ID表等信息。通過(guò)初始化這個(gè)結(jié)構(gòu)體，USB驅(qū)動(dòng)程序就可以向USB核心層注冊(cè)自己，并響應(yīng)相應(yīng)的USB設(shè)備事件。

05總結(jié)

本文介紹了常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用，并通過(guò)具體案例分析，講述了這些設(shè)計(jì)模式在內(nèi)核中的實(shí)現(xiàn)方式。讀者可以從這些案例中學(xué)習(xí)到如何在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，提高軟件開(kāi)發(fā)效率和代碼質(zhì)量。

但是，Linux內(nèi)核的代碼量非常龐大，新的設(shè)計(jì)模式不斷被引入。因此，需要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和研究，探索更多新的設(shè)計(jì)模式在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用。同時(shí)，設(shè)計(jì)模式并不是萬(wàn)能的，需要根據(jù)具體問(wèn)題選擇合適的解決方案。

設(shè)計(jì)模式在Linux內(nèi)核中具有重要作用，能夠幫助開(kāi)發(fā)人員更好地解決問(wèn)題和提高軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。我們希望本文能夠?yàn)樽x者提供有用的參考和啟示，并鼓勵(lì)讀者不斷學(xué)習(xí)和研究，提高自己的軟件開(kāi)發(fā)能力。