linux内核-分配PID位图算法

linux内核-分配PID位图算法:
在linux中（kernel/pid.c），提供了一种生成唯一PID的机制，用到一种位图算法。
什么是位图算法：它的特点是生成的是整数，而且是唯一的，限定在某个范围内。

内核既要分配唯一的pid还要对已经分好的pid进行跟踪，内核使用了一个大的位图，其中每个pid由一个比特标识。分配一个空闲的pid，本质上等同于找出位图中第一个值为0的比特，接下来将其置为1，释放时由1置为0.
eg:
假如最多有8个进程，我们用一个能表示8种情况的整数来标识。
0x03（00000011） 说明分配了的pid号是0，1号
0x13（00010011） 说明分配了的pid号是0，1，4号

一般应用中数值范围很大，我们考虑用一个比较大的数来表示，如果用unsigned long，4个字节，只能表示32个。如果还需要更多的进程号，我们可以申请一个连续的地址空间来表示。比如 ：unsigned long bitmap[8]，可以表示32*8个pid.
首先我们要知道申请的pid号在哪个范围，不同的范围用不同的地址中的数据来表示。求地址时相对于首地址的，所以要提供首地址，具体在哪个地址上的数据，要看pid号是什么。pid号对应于偏移号，即从首个bit开始算，看偏移了几位，偏移数值就是pid号。
第一个地址的偏移号时0-31，第二个地址的偏移号时32-63，第三个地址的偏移号时64-95，第四个地址的偏移号时96-127.
并且0～31 %32都得0，表示首地址，31～63 %32都得1，表示第二个地址，64～95 %32都得2，表示第三个地址，96-127 %32都得3，表示第四个地址。
得出结论：
偏移号/32所得结果时相对于首地址的偏移地址量，得到实际地址和pid了。

PID分配方法的DEMO
#include

/* max pid, equal to 2^15=32768 */
#define PID_MAX_DEFAULT 0x8000

/* page size = 2^12 = 4K */
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (1UL << PAGE_SHIFT)

#define BITS_PER_BYTE 8
#define BITS_PER_PAGE (PAGE_SIZE * BITS_PER_BYTE)
#define BITS_PER_PAGE_MASK (BITS_PER_PAGE - 1)

typedef struct pidmap
{
unsigned int nr_free;
char page[PID_MAX_DEFAULT];
} pidmap_t;

static pidmap_t pidmap = { PID_MAX_DEFAULT, {'0'} };

static int last_pid = -1;

static int test_and_set_bit(int offset, void *addr)
{
unsigned long mask = 1UL << (offset & (sizeof(unsigned long) * BITS_PER_BYTE - 1));
unsigned long *p = ((unsigned long*)addr) + (offset >> (sizeof(unsigned long) + 1));
unsigned long old = *p;

*p = old | mask;

return (old & mask) != 0;
}

static void clear_bit(int offset, void *addr)
{
unsigned long mask = 1UL << (offset & (sizeof(unsigned long) * BITS_PER_BYTE - 1));
unsigned long *p = ((unsigned long*)addr) + (offset >> (sizeof(unsigned long) + 1));
unsigned long old = *p;

*p = old & ~mask;
}

static int find_next_zero_bit(void *addr, int size, int offset)
{
unsigned long *p;
unsigned long mask;

while (offset < size)
{
p = ((unsigned long*)addr) + (offset >> (sizeof(unsigned long) + 1));
mask = 1UL << (offset & (sizeof(unsigned long) * BITS_PER_BYTE - 1));

if ((~(*p) & mask))
{
break;
}

++offset;
}

return offset;
}

static int alloc_pidmap()
{
int pid = last_pid + 1;
int offset = pid & BITS_PER_PAGE_MASK;

if (!pidmap.nr_free)
{
return -1;
}

offset = find_next_zero_bit(&pidmap.page, BITS_PER_PAGE, offset);
if (BITS_PER_PAGE != offset && !test_and_set_bit(offset, &pidmap.page))
{
--pidmap.nr_free;
last_pid = offset;
return offset;
}

return -1;
}

static void free_pidmap(int pid)
{
int offset = pid & BITS_PER_PAGE_MASK;

pidmap.nr_free++;
clear_bit(offset, &pidmap.page);
}

int main()
{
int i;
for (i = 0; i < PID_MAX_DEFAULT + 100; ++i)
{
printf("pid = %d\n", alloc_pidmap());
if (!(i % 100))
{
// 到整百时释放一次pid,看回绕的时候是不是都是使用整百的pid
free_pidmap(i);
}
}

return 0;
}