内核/用户地址空间之间共享的无锁队列

Question

我想在用户和内核空间之间构造两个共享队列（一个命令队列和一个回复队列）。这样内核就可以向用户空间发送消息，用户空间在完成处理后可以向内核发送回复。我所做的是使用为用户空间分配内核内存页面（用于队列）和mmap，现在用户和内核都可以访问这些页面（这里我指的是在内核空间中写入的内容可以正确读取在用户空间中，或反之亦然）。

问题是我不知道如何在内核和用户空间之间同步访问。假设我要为多制造商1用户方案构建环形缓冲区，那么如何使这些环形缓冲区访问不会被同时写入损坏？

本周我做了一些研究，这里有一些可能的方法，但我在内核模块开发方面颇为新颖，不太确定它是否可行。当挖掘到他们，我会很高兴，如果我能得到的任何意见或建议：用户/内核空间之间

1. 使用共享信号：Shared semaphore between user and kernel spaces

   但许多系统调用像sem_timedwait（）会使用，我很担心它的效率。

2. 我真正喜欢的是一个无锁方案，如https://lwn.net/Articles/400702/中所述。相关文件内核树是：

   • 内核/跟踪/ ring_buffer_benchmark.c
   • 内核/跟踪/ ring_buffer.c
   • 文档/跟踪/环形缓冲区design.txt

   是如何实现无锁的记录在这里：https://lwn.net/Articles/340400/

   不过，我认为这些是内核实现，不能直接在用户空间中使用（如ring_buffer_benchmark.c中的示例）。有什么方法可以在用户空间中重用这些方案吗？也希望我能找到更多的例子。

3. 同样在那篇文章（lwn 40072）中，提到了一种使用perf工具的替代方法，这与我正在尝试做的似乎很相似。如果2不行，我会尝试这种方法。

   的用户空间PERF工具因此与 内核交互通过读出并在共享存储器区域，而无需使用系统调用 写入。

对不起，我的英语语法...希望它是有意义的。

Answer 1

对于内核和用户空间之间的同步，您可以使用曲线缓冲区机制（文档位于Documentation/circular-buffers.txt）。

这样的缓冲区的关键因素是两个指针（头部和尾部），它们可以单独更新，这非常适合分离的用户和内核代码。而且，循环缓冲区的实现非常简单，所以在用户空间中实现并不困难。

请注意，对于内核中的多个生产者，您需要将它们与spinlock或类似的同步。