Linux 内核中面向对象思想的研究与应用

浙江科技学院学报, 第 18 卷第 2 期, 2006 年 6 月 Journal of Zhejiang University of Science and T echnology Vol. 18 No. 2, June 2006 收稿日期: 20060309 作者简介: 钱亚冠( 1976 ) , 男, 浙江嵊州人, 助教, 硕士, 主要从事计算机教学和嵌入式软件开发。 Linux 内核中面向对象思想的研究与应用 钱亚冠 ( 浙江科技学院 理学院, 杭州 310023) 摘 要: 运用 C 语言这样的面向过程语言进行程序设计时, 传统上是使用结构化的分析设计方法, 但是能否在 C 语 言开发中运用面向对象的思想进行设计却是一个值得探索的问题。然而, 通过分析 Linux 内核代码, C 语言在 Linux 内核开发中贯穿面向对象的设计思想的技术理念得到了阐述, 而且还总结了将其应用于软件工程实践中的可行性。 关键词: Linux 内核; 面向对象程序设计; 封装; 继承; 多态 中图分类号: T P311. 11 文献标识码: A 文章编号: 16718798( 2006) 02011103 Research and Application of ObjectOriented Thinking in Linux Kernel QIAN Yaguan ( School of Science, Zhejiang University of Science and Technology, H angzhou 310023, China) Abstract: When programming w ith procedureoriented language like C, traditionally, the structure analysis and design method is usually used. But, it is w orthy of exploring how to com bine w ith Objectoriented ( OO) thinking in programming in C. The technology and feasibility about a combination of programming in C and OOD is studied on the basis of analysis of Linux kernel codes. Key words: Linux kernel; objectoriented programming; encapsulation; inheritance; polymorphism C 语言程序具有高效、简洁、可移植性好等优 点, 因此广泛使用于操作系统等系统软件的实现。 但 C 语言本身不具有面向对象语言的特征, 而面向 对象的设计思想已经在当今的软件工程领域中显示 出了强大的优越性。如何在 C 语言开发的系统软 件领域引入面向对象的设计思想呢? Linux 操作系 统提供了一个很好的典范, 本文正是结合分析 Linux 内核源代码, 详细分析如何在 C 语言开发的 软件中实现了 OO 思想, 并将这种思想应用到笔者 的软件开发实践中。 1 面向对象的程序设计 面向对象的程序设计具有三个基本特征: 封装、 继承、多态[ 1] 。 1. 1 封装( Encapsulation) 封装就是把过程( 方法) 和数据( 属性) 包装起 来, 实现信息隐蔽和抽象。定义了一个对象的属性, 就是确定哪些属性对其他外部对象可见, 哪些属性 表示内部状态。对属性数据的访问只能通过已定义 的界面。封装保证了模块具有较好的独立性, 使得 程序维护修改较为容易。 1. 2 继承(Inheritance) 继承是一种联结类的层次模型, 它提供了一种 明确表述共性的方法, 方便了类的重用。一个新类可 以从现有的类中派生, 这个过程称为类继承。新类继 承了原始类的特性, 新类称为原始类的派生类( 子 类) , 而原始类称为新类的基类( 父类) 。派生类可以 从它的基类那里继承方法和实例变量, 并且类可以修 改或增加新的方法使之更适合特殊的需要[ 2] 。 1. 3 多态(Polymorphism) 派生类可以像基类对象一样使用, 同样的消息 即既可以发送给基类对象, 也可以给派生类对象。 即在类等级不同层次中可共享一个行为的名字, 但 不同层次中的类却按自己的需要来实现这个行为。 当一个对象接收到发送给它的消息时, 根据对象所 属的类动态选用该类中定义的实现算法。 2 Linux 代码中的 类与对象封装 面向对象语言中的类概念与传统过程语言的数 据类型在数据封装和抽象上非常相似。C 语言提供 typedef 保留字用于定义新的数据类型, 可以用它来 模仿类的概念, 以结构类型实现数据和方法的封装。 以文件系统中的 file 对象[ 3] 为例: struct file { struct list_head * f_list; struct dentry * f_dentry; struct vfsmount * f_vfsmnt; struct file_operations * f_op; / * 指 向特定文件系统的操作集* / loff_t f_pos; unsigned long f_reada, f_ramax, f_ raend, f_ralen, f_raw in; }; 内核给 file 对象定义了很多的属性, 其中方法 通过指针* f_op 指向它的操作集: struct file_operations { / * vfs 文件系统 操作集, 可看作是类方法定义* / ssize_t ( * read) ( struct file * , char * , size_t, loff_t * ) ; ssize_ t ( * w rite) ( struct file * , const char * , size_t, loff_t * ) ; int ( * open) ( struct inode * , struct file * ) ; }; 从上面的定义看, 已经具有抽象类的概念: file 对象只定义了方法的原型( 虚函数) , 而没有实现。 具体方法的实现由具体的文件系统提供。内核中的 重要数据结构都进行了封装, 如文件系统中的 inode 对象, 内存管理中的 page 对象、cache 对象和 slab 对象, 网络实现部分中的 socket 缓冲区对象 struct sk_buff 等。 3 Linux 代码中的 继承 特性 由于 C 语言本身没有提供支持继承的语言要 素, 所以从程序语言的角度来看, 是无法实现 继承 的。但从 继承的思想和目的来看, 就是让子类能 够共享父类的数据和方法, 同时又能在父类的基础 上定义扩展新的数据成员和方法, 从而消除类的重 复定义, 提高软件的可重用性。从这个角度分析容 易发现其中的 继承思想。典型的例子是内核 2. 4 版本新提出的通用链表结构( linux/ list. h) [ 3] : struct list_head { / * 通用双向链表对象* / struct list_head * next, * prev; }; 可以把这个对象看作一个基类, 对它的基本操 作是链表节点的插入, 删除, 链表的初始化和移动 等。其他数据结构( 可看作子类) 如果要组织成双向 链表, 可以在链表节点中包含这个通用链表对象( 可 看作是继承) 。一个简单的例子是时钟链表: struct timer_list { struct list_head list; unsigned long expires; unsigned long data; void ( * function) ( unsigned long) ; }; 这是个定时器队列, 它 继承了通用队列 list_ head, 见图 1。 链表的本质就是一个线性序列, 其基本操作为插 入和删除等, 不同链表间的差别在于各个节点中存放 的数据类型,因此把链表的特征抽象成这个通用链表, 作为 父类存在,具体不同的链表则 继承这个 父类 112 浙江科技学院学报 第 18 卷 图 1 扩展( 继承) 了通用链表的定时器队列 的基本方法, 同时扩充自己的私有属性。如本例中, 定 时器添加了自己的是私有数据: expires, data, 还有 方法 function( ) 。使用通用链表的数据结构遍及内 核的各个部分: 进程调度, 存储器管理, 文件系统, 网 络协议栈等。 4 Linux 代码中的 多态 这里借用 C+ + 的多态概念来分析内核代码中 的 多态特性。多态的两种基本形式: 编译时多态 与运行时多态[ 1] 。 4. 1 运行时多态 运行时多态指程序运行时才可确定的多态性, 主要通过继承和虚函数获得。虚函数就是允许其子 类对其重新定义( overriding) , 具体运行时调用父类 还是子类的这个同名函数, 由运行时提供的具体对 象类型决定, 在编译阶段不能确定, 因此称滞后联 编, 或动态绑定( dynamic binding) 。 内核中的典型例子是虚拟文件系统( VFS ) 。 Linux 为了支持不同的文件系统, 引入了虚拟文件 系统的概念。虚拟文件系统就是为用户程序提供一 个统一、抽象的文件系统界面, 这个界面由一组标准 的文件操作构成, 如 read( ) , w rite( ) 等, 并由各具体 文件系统( 如 ext2) 实现[ 4] 。这些对用户程序透明, 他们见到的只是 VFS 提供的这组标准接口, 而不关 心具体由谁实现。 图 2 Linux 文件系统中的 类层次 从图 2 中可以看出, VFS 可看作抽象基类, 而 具体文件系统如 Ext2、VFAT 可看作它的子类, VFS 提供的操作函数集( 如 struct file_operations) 是一个纯虚函数的概念, 具体实现由实现文件系统 提供。用户程序调用 V FS 提供的 API 进行编译 时, 并不能确定具体由哪个文件系统的实现函数来 完成操作。而只有在系统运行时, 根据用户进程具 体访问的文件类型, OS 调用相应的文件系统提供 的实现函数来完成。这个过程可视为 动态绑定的 过程。内核在很多时候不能确定具体的实现函数的 调用, 最简单就是有这么多的外设, 用户会使用什么 样的外设( 驱动程序) , 事先根本不能确定, 因此必须 要有一种动态加载的机制。面向对象中的多态特性 就是适应了这种灵活性。 4. 2 编译时多态 编译时多态指在编译阶段即可确定的多态性, 主要通过重载机制获得。函数重载使得在语义上相 似的函数可用同样的标识符来命名[ 1] 。C+ + 编译 器通过函数的参数类型或个数的不同进行区分, 但 C 编译器不提供重载机制, 为此内核在函数中增加 一个参数来区分不同的实现。以 void * kmalloc ( size_t size, int flags) 为例, 这个函数的功能是请 求系统分配若内存区域, 标志变量flags 用于区分不 同的分配策略, 由于语义相似, 这族操作使用同一个 函数名 kmalloc。这些标志变量预先定义为: GFP_ KERNEL( 分配一般的内核内存) 、GFP_U SER( 代 表用户分配内存) 、GFP_DMA ( 分配用于 DM A 缓 冲区的内存) 等[ 5] 。函数执行时将根据 flags 的不同 而不同。如 kmalloc( size, GFP_DMA ) 就将分配用 于 ISA 设备进行 DMA 传输用对缓冲区[ 5] 。这种 重载减少了名字空间的污染, 在相同的语义上提 供了一致的界面。尽管这种 重载不能说是真正意 义上的重载, 但它却体现了面向对象程序设计关于 重载的思想。 5 软件开发中的应用 利用 C 语言的高效性结合 OO 设计思想, 是两者 优点的有效结合。笔者在嵌入式软件开发实践中, 结 合这种思想, 已成功开发了基于 DSP 的 MPEG4 CODEC, 多目标视频跟踪等嵌入式实时软件。 ( 下转第 117 页) 113第 2 期 钱亚冠: Linux 内核中面向对象思想的研究与应用 迁移算法的性能进行了测试。 TSP 问题的求解过程如下: 由主程序生成若干 线程, 每个线程完成一部分路径搜索任务。本实验 的线程数目为 16。 4 台微机结点通过 100 Mb/ s 的以太网相连。 一般情况下, 线程的堆栈不会很大, 本例中线程堆栈 的一个内存页为 4 kB。因此, 相对于一个具体的应 用, 线程迁移的开销很小, 可以忽略不计。实验结果 见表 1。 表 1 两种线程分配算法求解 T SP 问题的实验结果 静态分配算法 文中动态分配、迁移算法 执行时间 t/ s 35 23 从表 1 可见, 相对于静态算法, 采用线程动态分 配、迁移算法后, 由于消息传递的数量大幅减少, 系 统的通信开销大大降低, 问题求解的时间明显变短, 算法的执行效率得到了很大的提高。 5 结 语 针对多线程 DSM 系统中的线程迁移问题, 提 出了解决方法, 并在一个基于 Window s 工作站机群 的 Smonn 系统中使用本方法实现了线程迁移, 证实 了此方法的有效性。基于 Window s 的多线程 DSM 系统因具有良好的可编程性和较高的性能价格比而 正逐渐成为高性能计算的理想平台, 但是在性能上 与消息传递的平台, 如 PVM 之间仍然存在着相当 大的差距。今后进一步的工作是分析影响 DSM 系 统性能的关键因素, 并研究合理的线程分配。 参考文献: [ 1] TANENBAUM Andrew S. Distributed Operating Systems [ M] . Cambridge: PrenticeHall International, Inc. , 1995. [ 2] ZHU W. Cluster queue structure for sharedmemory multiprocessor systems[ J] . The Journal of Supercom puting, 2003, 25( 3) : 215236. [ 3] SPEIGH T E, BENNETT J K. Brazos: A third Gen eration DSM Systems [ C ] . Proceedings of the 1997 USENIX Windows/ NT Workshop, 1997: 95106. [ 4] UENG Jyhchang, SH IEH Cekuen. Proteus: An eff icient runtime reconfigurable distributed shared memory system[ J] . Journal of Systems and Softw are, 2001, 56( 3) : 247260. ( 上接第 113 页) 以 MPEG4 编解码器为例[ 6] : MPEG4 标准文 档将视频定义为 具有一定语义的实体的对象。视 频内容语法结构呈现一种层次结构( 图 3) , 从高层 到低层依次是视频序列( VS) 、视频对象( VO) 、视频 对象层( VOL) 、视频对象组( GOV) 和视频对象平面 ( VOP) 。其中视频序列是由一系列具有一定时间和 空间关系的视频对象构成, 一个视频对象可由多个视 频对象层组成, VOL 提供基于对象的分级支持。每 个VOL 由若干视频对象组构成, GOV 提供随机切入 的功能。GOV 由一系列时间上相继的视频对象平面 组成。VOP 是基本的编码单位, 编码时 VOP 将分成 16 16 的宏块并进一步分解为 8 8 的块。 图 3 M PEG4 视频语法结构 由于 MPEG4 协议本身以对象的形式来描述 视频流的语法元素, 因此在用 C 语言实现时相应的 可以使用面向对象的方法来定义这些语法元素, 同 时将操作和数据封装在一起, 如从下到上可划分为 块对象、宏块对象、VOP 对象等。这样做的好处是, 一方面容易与协议的描述取得一致, 另一方面易对 协议实现的正确性进行验证, 同时使整个软件架构 清晰合理, 容易维护和扩展。 参考文献: [ 1] 李师贤, 李文军, 周晓聪. 面向对象程序设计基础[ M ] . 北京: 高等教育出版社, 1998. [ 2] 张佳骥. 从结构化分析到面向对象[ J] . 无线电工程, 2005, 35( 12) : 57, 59. [ 3] LINUS. linux2. 4. 32 kernel [ CP/ OL] . ( 20051116) [ 20060310] . ht tp: / / ww w. kernel. org. [ 4] 毛德操, 胡希明. LINUX 内核源代码情景分析[ M] . 杭 州: 浙江大学出版社, 2001. [ 5] ALESSANDRO Rubini, JONATHAN Corbet. LINUX DEVICE DRIVERS[ M] . 2nd. USA: O REILLY, 2002. [ 6] 钱亚冠. 视频编码理论与 MPEG4 的DSP 实现[ D] . 杭 州: 浙江大学计算机科学与技术学院, 2005. 117第 2 期 郑志军, 等: 基于 Windows 的 DSM 系统中线程迁移的实现