【Linux】理解bitops中的__set_bit及其应用

浏览数：22 / 时间：2015年06月20日

位操作在kernel中很普遍，以下针对__set_bit函数为例来分析其原理：

在kernel/include/asm-generic/bitops/non-atomic.h头文件下有如下

/**
* __set_bit - Set a bit in memory
* @nr: the bit to set
* @addr: the address to start counting from
*
* Unlike set_bit(), this function is non-atomic and may be reordered.
* If it‘s called on the same region of memory simultaneously, the effect
* may be that only one operation succeeds.
*/
static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
{
unsigned long mask = BIT_MASK(nr);
unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + BIT_WORD(nr);
*p |= mask;
}

在kernel/include/linux/bitops.h中有BIT_MASK，BIT_WORD

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......
#include <asm/types.h>
......
#define BIT(nr) (1UL << (nr))
#define BIT_MASK(nr) (1UL << ((nr) % BITS_PER_LONG))
#define BIT_WORD(nr) ((nr) / BITS_PER_LONG)

在kernel/arch/arm/include/asm/types.h中有BITS_PER_LONG

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#define BITS_PER_LONG 32

所以__set_bit函数内容等价表示如下：

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static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
{
addr[nr/32] |= (1UL << (nr % 32));
//或者addr[nr >> 5] |= (1UL << (nr & 31));
}

addr是一个类型为unsigned long(32 bits)的数组，通过nr/32得到要设置的比特位nr位于该数组中的哪一个unsigned long。
然后，通过( nr%32 )得到该unsigned long整数中是哪一位（第0位、第1位、...还是第31位?）需要设置。
最后，通过 addr[nr/32] |= (1UL << (nr % 32)) 设置该unsigned long整数中相应的比特位。

addr地址所指的32bit位图如下:
                            ________________
          0     <---     |_|_|_|_|_|_|_|_|...._|
          1     <--- |____________...._|
          2    <--- |____________...._|
          .     <---     |____________...._|
          .        <--- |____________...._|
       nr/32   <---     |____________...._|

理解了上述代码，则其它比特位操作API就容易懂了。
__clear_bit: 将addr所指的地址处的值第nr位清0，方法一般 addr[nr/32] & 11111011111
__change_bit: 将addr所指的地址处的值第nr位取反，方法一般 addr[nr/32]  ^ 00000100000
__test_and_set_bit：将addr所指的地址处的值第nr位置1，返回该bit原始值（0或1）；
__test_and_clear_bit：将addr所指的地址处的值第nr位清0，返回该bit原始值（0或1）；
__test_and_change_bit：将addr所指的地址处的值第nr位取反，返回该bit原始值（0或1）；
test_bit：即测试nr位是否被置位，置位返回1；

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比特位操作在代码中到处使用，灵活使用这些操作将能够大大提高系统的性能，以下举例说明：

1. Linux 2.6中进程调度中bitops的应用
   Linux 2.6内核重写了进程调度这部分，其时间复杂度为O(1)
   每个cpu有自己单独的运行队列runqueues，而每个运行队列中，把进程分为活动进程队列和过期进程队列。

struct prio_array {
unsigned int nr_active; //当前队列进程数
DECLARE_BITMAP(bitmap, MAX_PRIO+1);//位图，每一位表示对应级别的进程链表是否有进程
struct list_head queue[MAX_PRIO]; //进程链表，共MAX_PRIO(140)级，进程按其优先级存放在这个链表中
};

   每次调度时，从活动进程队列的最高优先级链表中选择第一个进程作为next。
   我们来看看它是如何选择的。
   我们先看prio_arry中的queue[MAX_PRIO]，进程按优先级放入这个队列中，queue[0]中的全部进程其优先级为0,其优先级最高，queue[1]中的全部进程其优先级为1, 优先级的值越小优先运行。
   0~MAX_RT_PRIO(100)为实时进程的优先级，MAX_RT_PRIO~MAX_PRIO(140)为普通进程的优先级。

   bitmap为5个32位整数，它的前140位对应140个优先级，比如：bitmap的第5位置1，表示优先级为5的进程队列存在进程。
   idx = sched_find_first_bit(array->bitmap)就是查找bitmap中第一个为1的位，那么就可以获取当前优先级最高的进程队列。

2. Linux中输入子系统中bitops的应用

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struct input_dev {
const char *name;
const char *phys;
const char *uniq;
struct input_id id;
    /*
    * 根据各种输入信号的类型来建立类型为unsigned long 的数组,
    * 数组的每1bit代表一种信号类型,
    * 内核中会对其进行置位或清位操作来表示事件的发生和被处理.
    */
unsigned long propbit[BITS_TO_LONGS(INPUT_PROP_CNT)];
unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)];
unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];
unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)];
unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)];
unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)];
unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];
unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];
unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)];
unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];
...............................
}