Linux 内核：匠心独运之无锁环形队列

金庸老爷子在《神雕侠侣》中说独孤求败的玄铁重剑时，说道“重剑无锋，大巧不工”。他说的是如果个人修养达到一定的阶段，“花石草木皆可为剑”，而不需要更多技巧。在Linux内核中从来不缺少简洁、优美、高效的实现代码，缺少的是发现这些美的眼睛和毅力。在Linux内核中，代码的简洁高效并不意味采用了失传很久的武林绝技，恰恰相反，它们往往通过最基本的知识和数据结构来实现完美的代码，而kfifo可以说就是其中的一个典范。

这里用“大巧不工”来形容Linux中的无锁环形队列显然不合适，原因在于：无锁环形队列属于精雕细琢，大道至简、匠心独运，简洁而不简单。它使用最基本的技术知识实现了重要的功能。下面我们便一睹其芳容。

“数据结构，它采用了前面提到的环形缓冲区来实现，提供一个无边界的字节流服务。采用环形缓冲区的好处为，当一个数据元素被用掉后，其余数据元素不需要移动其存储位置，从而减少拷贝提高效率。更重要的是，kfifo采用了并行无锁技术，kfifo实现的单生产/单消费模式的共享队列是不需要加锁同步的。

当前高性能的服务器软件(例如HTTP加速器)大多都运行在多核服务器上，当前的硬件可以支持32、 64甚至更多的CPU，在这种高并发的环境下，锁竞争机制有时候比数据拷贝、上下文切换等更伤害系统的性能，因此在多核环境下，需要把重要的数据结构从锁的保护下移到无锁环境中，以此来提高软件的性能。

所以，现在无锁机制越来越流行，在不同的环境中使用不同的无锁队列可以节省开销，提高程序效率。

[1]  摘自《深入浅出DPDK》第四章同步互斥机制：4.4.1 Linux内核无锁环形缓冲

下面我们说一下kfifo的结构

kfifo结构中个字段的含义：

Kfifo无锁队列的应用注意事项：

• 单生产者/单消费者无需使用锁进行同步

以上三种条件都满足的情况下可以使用kfifo无锁队列。相反，如果存在多个生产者或者多个消费者，则可以通过锁来进行同步：

• 多个生产者一个消费者模式，生产者端加锁同步
• 单个生产者多个消费者模式。消费者端加锁同步

Kfifo的初始化是指为kfifo分配空间、初始化kfifo中的各项参数等操作。

3.1 判断一个数是否为2的幂次方

在这个kfifo_alloc()函数中，要求size需要为2的幂次方，如何实现高效的判断呢？

在二进制中，2的幂次方很容易表示：一个数只有一个bit上是1，其余全为0，例如：

也就是说，如果我们可以判断：一个数的二进制上只有一个bit位为1，那么这个数肯定为2的幂次方。问题发生了等价转换，那么我们如何判断 一个数的二进制中包含几个1呢？？？。【这是面试中的一个常见问题和技巧】。方法就是：x & (x -1)==0, 则这个数二进制中只有一个1，否则包含多个1。通常使用这个方法来计算一个数中包含几个1。

 /*求一个数的二进制中1的个数*/
 

 简单的说：x & (n -1)会将x二进制中最低位上的1置为0(最后一个1置为0)。因此如果n&(n-1)==0，那个说明这个数二进制中只有一个bit位为1，因此肯定是2的幂次方。
 
 

3.2 求不小于某个数2的整数次幂

 

 我看还是直接看内核实现吧：
 
 
 
 

 这个效率嘛？ 由于全是位运算，肯定为求模、取余等四则运算效率要高, 不能放过任何一点可以优化的地方。至于这样做的原理，自己品品吧，也是相当经典的存在。
 
 

3.3 为什么要求2的幂次方呢？

 

 为了使用位运算，快， 快，不择手段的快
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 

 需要说明的是Linux 2.6.12版本的内核实现中并没有使用内存屏障，而在后续版本中添加了内存屏障，它是实现无锁队列的核心和关键。这里我们就按照Linux2.6.12版本实现来说明简单原理，关于内存屏障，可以参考我的另一篇博文《什么是内存屏障？ Why Memory Barriers ?》
 
 

连个if都不想用，真是太抠门了，哎。你多少if-else判断下in,out,len的关系，能让我舒服点呀！！！

其次，它的原理是：size为2的幂次方，size -1则表示【0，size-1】每一个bit位都是1，可以得到该范围的所有值，这也是要求size为2的幂次方的原因。

最后，两者在本质上是等价的，但是in & (size -1)只进行位操作，效率高很多。

当右侧长度不够入队长度时，需要在kfifo左侧入队，此时kfifo左右的范围为【0，len-l】，左侧的范围为【in，in+l】。

4.3 无符号整数溢出回绕

因此，无论何时，即使发生整数回绕，kfifo中的变量都有如下关系：

可惜我体会还是没有那么深刻。

看完kfifo的实现，最大的感觉就是？  不不，文明人说文明话，妙，是真的妙不可言。如果说这代码是我或者同事写的，我会觉得里面会不会有很多bug,但是如果为内核大佬写的，我觉得没有，就是没有，真的没有呀！！！

第1篇：分式方程练习题

3、分式的基本*质：;

(其中)。(注意分式基本*质的应用，如改变分子、分母、分式本身的符号，化分子、分母的系数为整数等等)。

4、分式的约分：。(思考：公因式的确定方法)。

8、分式加减法法则：_____。(加减法的结果应化成)

10、分式混合运算的顺序：。

11、分式方程的定义：。

12、解分式方程的基本思想：____;如何实现：。

14、解分式方程的步骤：

15、用分式方程解决实际问题的步骤:

1、当x时，分式有意义;当x时，分式无意义。

2、分式：当x______时分式的值为零。

7、一件工作，*单独做小时完成，乙单独做小时完成，则*、乙合作小时完成。

8、若分式方程的一个解是，则。

10、若分式13-x的值为整数，则整数x=。

11、不改变分式的值，把下列各式的分子、分母中的各项系数都化为整数:

13、若分式的值为负数，则x的取值范围是__。

15、一项工程，*单独做x小时完成，乙单独做y小时完成，则两人一起完成这项工程需要______________小时。

16、若关于x的分式方程无解，则m的值为__________。

20、在等号成立时，右边填上适当的符号：=____________。

22、某工厂库存原材料x吨，原计划每天用a吨，若现在每天少用b吨，则可以多用天。

23、某商场降价销售一批服装，打8折后售价为120元，则原销售价是元。

25、*、乙两人从两地同时出发,若相向而行,则a小时相遇;若同向而行,则b小时*追上乙,那么*的速度是乙的速度的________倍.

1、下列各式中,分式有()个

2、如果把分式中的和都扩大3倍，那么分式的值()

a、扩大3倍b、缩小3倍c、缩小6倍d、不变

3、下列约分结果正确的是()

4、计算：，结果为()

5、某农场开挖一条480米的渠道，开工后，每天比原计划多挖20米，结果提前4天完成任务，若设原计划每天挖米，那么求时所列方程正确的是()

6、下列说法正确的是()

(a)形如ab的式子叫分式(b)分母不等于零，分式有意义

(c)分式的值等于零，分式无意义(d)分子等于零，分式的值就等于零

8、下列分式一定有意义的是()

9、下列各分式中，最简分式是()

10、在一段坡路，小明骑自行车上坡的速度为每小时v1千米，下坡时的速度为每小时v2千米，则他在这段路上、下坡的平均速度是每小时()。

a、千米b、千米c、千米d无法确定

11、若把分式中的x和y都扩大3倍，那么分式的值()

a、扩大3倍b、不变c、缩小3倍d、缩小6倍

13、若已知分式的值为0，则x-2的值为()

五、先化简,再请你用喜爱的数代入求值:(-)÷.

六、列分式方程解应用题”

1、*、乙两地相距19千米，某人从*地出发出乙地，先步行7千米，然后改骑自行车，共用2小时到达乙地。已知这个人骑自行车的速度是步行速度的4倍。求步行速度和骑自行车的速度。

2、*、乙两组学生去距学校4.5千米的敬老院打扫卫生，*组学生步行出发半小时后，乙组学生骑自行车开始出发，结果两组学生同时到达敬老院，如果步行的速度是骑自行车的速度的，求步行和骑自行车的速度各是多少?

3、为加快西部大开发，某自治区决定新修一条公路，*、乙两工程队承包此项工程。如果*工程队单独施工，则刚好如期完成;如果乙工程队单独施工就要超过6个月才能完成，现在*、乙两队先共同施工4个月，剩下的由乙队单独施工，则刚好如期完成。问原来规定修好这条公路需多长时间?

4、*、乙两班学生植树，原计划6天完成任务，他们共同劳动了4天后，乙班另有任务调走，*班又用6天才种完，求若*、乙两班单独完成任务后各需多少天?

5、一条船往返于*乙两港之间,由*至乙是顺水行驶,由乙至*是逆流水行驶,已知船在静水中的速度为8km/h,平时逆水航行与顺水航行所用的时间比为2：1,某天恰逢暴雨,水流速度是原来的2倍,这条船往返共用了9h.问*乙两港相距多远?

2、已知.试说明不论x在许可范围内取何值，y的值都不变.

3、(1)将*种漆3g与乙种漆4g倒入一容器内搅匀，则*种漆占混合漆的;如从这容器内又倒出5g漆，那么这5?漆中有*种漆有g.

(2)小明到姑姑家吃早点时，表妹小红很淘气，她先从一杯豆浆中，取出一勺豆浆，倒入盛牛奶的杯子中搅匀，再从盛牛奶的杯子中取出一勺混合的牛奶和豆浆，倒入盛豆浆的杯子中.小明想：现在两个杯子中都有了牛奶和豆浆，究竟是豆浆杯子中的牛奶多，还是牛奶杯子中的豆浆多呢?(两个杯子原来的牛奶和豆浆一样多).现在来看小明的分析：

设混合前两个杯子中盛的牛奶和豆浆的体积相等，均为a,勺的容积为b.为便于理解，将混合前后的体积关系制成下表：

混合前的体积第一次混合后第二次混合后

豆浆牛奶豆浆牛奶豆浆牛奶

①将上面表格填完(表格中只需列出算式，无需化简).

②请通过计算判断：最后两个杯子中都有牛奶和豆浆，究竟是豆浆杯子中的牛奶多，还是牛奶杯子中的豆浆多呢?

第2篇：分式方程的解法练习题

分式方程是方程中的一种，是指分母里含有未知数或含有未知数整式的有理方程，该部分知识属于初等数学知识。以下是小编整理的分式方程的解法练习题，欢迎阅读。

方程两边同时乘以最简公分母，将分式方程化为整式方程；若遇到互为相反数时。不要忘了改变符号。

(最简公分母：①系数取最小公倍数②未知数取最高次幂③出现的因式取最高次幂）

移项，若有括号应先去括号，注意变号，合并同类项，把系数化为1求出未知数的值；

求出未知数的值后必须验根，因为在把分式方程化为整式方程的过程中，扩大了未知数的取值范围，可能产生增根。

验根时把整式方程的根代入最简公分母，如果最简公分母等于0，这个根就是增根。否则这个根就是原分式方程的根。若解出的根都是增根，则原方程无解。

如果分式本身约分了，也要代入进去检验。

在列分式方程解应用题时，不仅要检验所得解的是否满足方程式，还要检验是否符合题意。

一般的，解分式方程时，去分母后所得整式方程的解有可能使原方程中分母为零，因此要将整式方程的解代入最简公分母，如果最简公分母的值不为零，则是方程的解.

（1）注意去分母时，不要漏乘整式项。

（2）??根是分式方程去分母后化成的整式方程的根，但不是原分式方程的根。

（3）??根使最简公分母等于0。

（4）分式方程中，如果x为分母，则x应不等于0。

第3篇：分式方程练习题及*

分式方程是数学中基础数学一个很重要的知识点，学好分式方程，更极大的提高运算能力，下面是分式方程练习题及*，欢迎参考阅读。

1.下面是分式方程的是（）

2.若得值为-1，则x等于()

3.一列客车已晚点6分钟，如果将速度每小时加快10千米，那么继续行驶20千米便可正点运行，如果设客车原来行驶的速度是x千米/小时，可列出分式方程为（）

4.分式方程的解为（）

5.若分式方程的解为2，则a的值为（）

6.分式方程的解是（）

7.如果关于x的方程无解，则m等于（）

8.解方程时，去分母得()

9.已知关于的分式方程的根大于零，那么a的取值范围是.

10.关于的分式方程有增根=-2，那么k=.

11.若关于的方程产生增根，那么m的值是.

12.当m=时，方程的解与方程的解互为相反数.

13.为改善生态环境，防止水土流失，某村拟定在荒坡地上种植960棵树，由于青年团员的支援，每日比原计划多种20课，结果提前4天完成任务，原计划每天种植多少棵树？设原计划每天种植x棵树，根据题意列方程为.

16.已知关于的方程无解，求a的值？

17.已知与的解相同，求m的值？

18.近年来，由于受*石油市场的影响，汽油价格不断上涨．下面是小明与爸爸的对话：

小明：“爸爸，听说今年5月份的汽油价格上涨了不少啊！”

爸爸：“是啊，今年5月份每升汽油的价格是去年5月份的倍，用元给汽车加的油量比去年少升.”

小明：“今年5月份每升汽油的价格是多少呢？”

聪明的你，根据上面的对话帮小明计算一下今年5月份每升汽油的价格？

19.武汉一桥维修工程中，拟由*、乙两各工程队共同完成某项目，从两个工程队的资料可以知道，若两个工程队合作24天恰好完成，若两个工程队合作18天后，*工程队再单独做10天，也恰好完成，请问：

⑴*、乙两工程队完成此项目各需多少天？

⑵又已知*工程队每天的施工费用是0.6万元，乙工程队每天的施工费用是0.35万元，要使该项目总的施工费用不超过22万元，则乙工程队至少施工多少天？

15.⑴解：方程变形为

（3）解：方程两边同时乘以想x(x2-1)得，5x-2=3x,x=1,经检验x=1是原方程的增根,故原方程无解.

17.解：，x=2,经检验x=2是原方程的解，由题意可知两个方程的解相同，所以把x=2代入第二个方程得，故m=10.

18.解：设去年5月份汽油的价格为x元/升，则今年5月份的价格为1.6x元/升，依题意可列方程为，解得x=3，经检验x=3是原方程的解也符合题意，所以1.6x=4.8，故今年5月份汽油的价格是4.8元/升.

19.解：⑴设*工程队单独完成该项目需要天，乙单独完成该项目需要天，依题意可列方程组为

解得，经检验是原方程组的解，也符合题意.

⑵设*、乙两工程队分别施工a天、b天，由于总施工费用不超过22万元，可得，解得，b取最小值为40.

故⑴*、乙两工程队单独完成此项目分别需40天、60天.⑵乙工程度至少要施工40天.