Linux内核中的设计模式之全面理解与示例代码

丁晨嘉

Linux 内核是一个庞大且复杂的开源项目，它在操作系统领域具有广泛的应用。
在 Linux 内核的构建过程中，采用了多种设计模式来提高代码的可维护性、可扩展性和性能。
本文将深入探讨 Linux 内核中的一些常见设计模式，并提供丰富的示例代码，以帮助大家更好地理解这些模式的应用。

单例模式（Singleton Pattern）

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一种访问该实例的全局方式。
在 Linux 内核中，

1. task_struct

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结构体是进程控制块，采用了单例模式，确保每个进程只有一个相关的

1. task_struct

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实例。
以下是一个简化的示例：

1. #include <linux/sched.h>
   
2. 
   
3. struct task_struct *current;
   
4. 
   
5. void init_task_struct_singleton(void) {
   
6.     if (!current) {
   
7.         current = kmalloc(sizeof(struct task_struct), GFP_KERNEL);
   
8.         // 初始化 task_struct 的各个字段
   
9.     }
   
10. }

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工厂模式（Factory Pattern）

工厂模式用于创建对象，而不需要直接暴露对象的构造函数。
在 Linux 内核中，

1. kmem_cache

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是一种对象缓存机制，采用了工厂模式，用于高效地创建和销毁内核对象。
以下是一个示例：

1. #include <linux/slab.h>
   
2. 
   
3. struct kmem_cache *my_cache;
   
4. 
   
5. void init_cache(void) {
   
6.     my_cache = kmem_cache_create("my_object_cache",
   
7.                                 sizeof(struct my_object),
   
8.                                 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL);
   
9. }
   
10. 
    
11. struct my_object *create_object(void) {
    
12.     return kmem_cache_alloc(my_cache, GFP_KERNEL);
    
13. }
    
14. 
    
15. void destroy_object(struct my_object *obj) {
    
16.     kmem_cache_free(my_cache, obj);
    
17. }

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观察者模式（Observer Pattern）

观察者模式用于定义一种一对多的依赖关系，当一个对象状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。
在 Linux 内核中，事件通知机制采用了观察者模式。
以下是一个示例：

1. #include <linux/notifier.h>
   
2. 
   
3. struct my_notifier_block {
   
4.     struct notifier_block nb;
   
5.     // 其他字段
   
6. };
   
7. 
   
8. int my_event_handler(struct notifier_block *nb, unsigned long val, void *data) {
   
9.     // 处理事件通知
   
10.     return NOTIFY_OK;
    
11. }
    
12. 
    
13. struct my_notifier_block my_notifier = {
    
14.     .nb.notifier_call = my_event_handler,
    
15.     // 初始化其他字段
    
16. };
    
17. 
    
18. void register_my_notifier(void) {
    
19.     register_my_notifier(&my_notifier);
    
20. }
    
21. 
    
22. void unregister_my_notifier(void) {
    
23.     unregister_my_notifier(&my_notifier);
    
24. }

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策略模式（Strategy Pattern）

策略模式定义一系列算法，将它们封装起来，并使它们可以互相替换。
在 Linux 内核中，调度器采用了策略模式，可以根据不同的调度策略来选择下一个运行的进程。
以下是一个示例：

1. #include <linux/sched.h>
   
2. 
   
3. void set_scheduler_policy(int policy) {
   
4.     struct task_struct *task = current;
   
5.     task->policy = policy;
   
6.     // 其他设置
   
7. }

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命令模式（Command Pattern）

命令模式将请求封装成对象，以支持参数化操作、队列、日志和撤销操作。
在 Linux 内核中，IO调度器采用了命令模式来管理IO请求。
以下是一个示例：

1. #include <linux/blkdev.h>
   
2. 
   
3. void add_io_request(struct request_queue *q, struct request *rq) {
   
4.     blk_add_request(q, rq);
   
5. }

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状态模式（State Pattern）

状态模式允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。
在 Linux 内核中，网络协议栈中的套接字状态机采用了状态模式，用于处理套接字的不同状态和状态转换。
以下是一个示例：

1. #include <linux/tcp.h>
   
2. 
   
3. struct tcp_sock {
   
4.     // 其他字段
   
5.     struct tcp_state_ops *state_ops;
   
6. };
   
7. 
   
8. struct tcp_state_ops {
   
9.     void (*transmit)(struct tcp_sock *sk);
   
10.     void (*receive)(struct tcp_sock *sk);
    
11.     // 其他状态相关操作
    
12. };
    
13. 
    
14. void tcp_transmit(struct tcp_sock *sk) {
    
15.     sk->state_ops->transmit(sk);
    
16. }
    
17. 
    
18. void tcp_receive(struct tcp_sock *sk) {
    
19.     sk->state_ops->receive(sk);
    
20. }

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适配器模式（Adapter Pattern）

适配器模式允许将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。
在 Linux 内核中，字符设备驱动程序中的文件操作函数采用了适配器模式，将标准的文件操作接口转换为驱动程序特定的接口。
以下是一个示例：

1. #include <linux/fs.h>
   
2. 
   
3. struct file_operations my_fops = {
   
4.     .open = my_driver_open,
   
5.     .read = my_driver_read,
   
6.     .write = my_driver_write,
   
7.     .release = my_driver_release,
   
8.     // 其他操作函数
   
9. };

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组合模式（Composite Pattern）

组合模式允许将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。
在 Linux 内核中，虚拟文件系统（VFS）采用了组合模式，用于管理文件和目录的层次结构。
以下是一个示例：

1. #include <linux/fs.h>
   
2. 
   
3. struct dentry *my_create_file(const char *name, mode_t mode, struct dentry *parent) {
   
4.     return vfs_create_file(parent, name, &my_file_fops, NULL, mode);
   
5. }
   
6. 
   
7. struct dentry *my_create_directory(const char *name, struct dentry *parent) {
   
8.     return vfs_mkdir(parent->d_inode, name, 0);
   
9. }

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备忘录模式（Memento Pattern）

备忘录模式允许在不破坏封装的前提下捕获对象的内部状态，并在需要时将其恢复。
在 Linux 内核中，进程的状态保存和恢复机制采用了备忘录模式，用于保存和恢复进程的执行状态。
以下是一个示例：

1. #include <linux/sched.h>
   
2. 
   
3. void save_process_state(struct task_struct *task, struct task_state *state) {
   
4.     // 保存进程状态到 state 结构中
   
5. }
   
6. 
   
7. void restore_process_state(struct task_struct *task, struct task_state *state) {
   
8.     // 从 state 结构恢复进程状态
   
9. }

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访问者模式（Visitor Pattern）

访问者模式允许在不改变对象结构的前提下定义新操作。
在 Linux 内核中，

1. struct file_operations

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结构中的文件操作函数采用了访问者模式，允许定义不同的文件操作函数集合。
以下是一个示例：

1. #include <linux/fs.h>
   
2. 
   
3. struct file_operations my_fops = {
   
4.     .read = my_driver_read,
   
5.     .write = my_driver_write,
   
6.     // 其他操作函数
   
7. };
   
8. 
   
9. struct file_operations another_fops = {
   
10.     .read = another_driver_read,
    
11.     .write = another_driver_write,
    
12.     // 其他操作函数
    
13. };

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总结

这些设计模式在 Linux 内核中的应用丰富多彩，有助于提高内核的可维护性和灵活性。
通过深入理解这些模式的应用和示例代码，可以更好地理解 Linux 内核的设计哲学和工作原理，为自己的软件项目提供更好的设计思路。
希望本文的示例代码和解释有助于大家更好地理解 Linux 内核中的设计模式。也希望大家多多支持脚本之家。

来源:https://www.jb51.net/server/315713ttq.htm
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