Linux内核数据结构

分类：  Linux内核学习  Linux设备驱动2011-01-05 11:55 107人阅读  评论(0)  收藏  举报

 

链表，队列，映射，二叉树等数据结构是程序设计中常用的数据结构。为了统一这些数据结构的操作接口，Linux内核开发者实现了一些标准的操作接口及实现（使用了大量的GNU扩展特性），以达到代码重用，开发者应该尽量使用这些标准接口，避免实现自己的再创造，虽然那样看起来很酷，很有劲。

 

有关链表

 

传统的双向链表实现方法是在链表元素中加入两个指针，然后用这些指针来构造双向链表。如下所示

[cpp]  view plain copy

1. struct node{  
2.     value_type value;  
3.     struct element *prev;  
4.     struct element *next;  
5. }node, *list_head;  

其示意图如下：NULL为空指针。

 

如果将双向链表中的首尾两个元素进行链接，则会形成循环双向链表。示意图如下：

 

由上可以看出，如果想得到链表中某个指定节点，必须要遍历链表。所以，对于那些需要随机存取的数据，尽量使用数组，而不是链表，当然也可以配合一个哈希表来使用链表，有兴趣的同志可以看看。

 

上面的实现方法没有问题，但是对于内核来说，如果每个内核对象都采用这种方法，那么要为每个结构体添加相应代码，还要实现其链表操作函数。这样很麻烦，而且也不能达到代码复用以及提供统一的接口。所以内核开发者采用了另外一种巧妙的方法：声明list_head这么一个结构，然后只要嵌入这么一个数据结构就可以实现双向链表了。

[c-sharp]  view plain copy

1. struct list_head{  
2.     struct list_head *next;  
3.     struct list_head *prev;  
4. };  

假设你想以链表形式存储自己的课程与成绩，则可以采用下面的形式

[c-sharp]  view plain copy

1. struct cource_score{  
2.     int num;  
3.     int score;  
4.     struct list_head list;  
5. };  

这样，就利用成员变量list将所有的链表节点连接起来，当然，一般还要设置一个头结点。

除此之外，开发者还提供了一些函数和宏用于链表操作。如使用container_of()可以通过list成员获得course_score结构体的地址。

[c-sharp]  view plain copy

1. #define container_of(ptr, type, member) ({                                   /  
2.                const typeof( ((type *)0)->member ) *_mptr = (ptr);      /  
3.                (type *)( (char *)_mptr - offsetof(type, member) ) ;})  
4.  
5. #define offsetof(type, member) ((ssize_t)&(type *)0)->member)  
6.  
7. #define list_entry(ptr, type, member) /  
8.               constainer_of(ptr, type, member)  

宏container_of使用了GNU扩展。分析一下这个宏定义，首先注意ptr为指向容器结构体的指针，type为容器结构体的类型，而member则是其内嵌的list_head成员变量的名称，如上例，type为course_score，而member则为list。

(type *)0将地址0转换为结构type的地址

(type *)0->member获取type机构体中member成员变量的偏移地址。由于容器结构体的地址为0，这就是member成员的偏移地址，所以宏offsetof也就是这个作用。

typeof(  ((type *)0->member)返回member成员的类型，然后将指针_mptr声明为该类型的指针，并赋值为ptr。

(type *)((char *)_mptr - offsetof(type, member));})则根据member成员的实际_mptr以及偏移量offsetof()则可以得到容器结构体的地址。

 

当有两种方法可以初始化链表，静态初始化和动态初始化。

 

 

[c-sharp]  view plain copy

1. #define LIST_HEAD_INIT(name) {&(name),&name)}     
2. #define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)    
3.  
4. #define INIT_LIST_HEAD(ptr) do{/     
5.         (ptr)->next = (ptr);(ptr)->next = (ptr);/    
6. }while (0)    
7.   
8. static  inline void  INIT_LIST_HEAD(struct  list_head * list)    
9. {    
10.         list->next = list;    
11.         list->prev = list;    
12. }  

如果在编码时初始化链表，则可以使用宏LIST_HEAD_INIT，如上例中，则可以

[c-sharp]  view plain copy

1. struct course_score math = {  
2.     num = 1;  
3.     score = 60;  
4.     list = LIST_HEAD_INIT(math.list);  
5. };  

 

如果是运行时初始化链表,则可以使用宏INIT_LIST_HEAD或者内联函数INIT_LIST_HEAD来初始化，两者功能一样，只是内联函数提供了类型检测。如下所示

[c-sharp]  view plain copy

1. struct course_score *math;  
2. math = kmalloc(sizeof(struct course_score));  
3. math->num = 1;  
4. math->score = 60;  
5. INIT_HEAD_LIST(&math->list);  

 

链表的其他操作包括添加、删除、合并、遍历等。

插入节点

[c-sharp]  view plain copy

1. static  inline void  list_add(struct  list_head * new , struct  list_head * head)    
2. {    
3.        __list_add(new , head, head->next);    
4. }    
5.   
6. static  inline void  list_add_tail(struct  list_head * new ,struct  list_head * head)    
7. {    
8.        __list_add(new , head->prev, head);    
9. }   
10.   
11. struct  inline void  __list_add(struct  list_head * new , struct  list_head * prev, struct  list_head * next)    
12. {    
13.        next->prev = new ;    
14.        new ->next = next;    
15.        new ->prev = prev;    
16.        prev->next = new ;    
17. }  

插入操作有两种：表头插入和表尾插入。实际上，两种插入的方法是一样的，只是内部函数调用时，参数不同而已。

 

 

删除节点

[c-sharp]  view plain copy

1. static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)    
2. {    
3.         next->prev = prev;    
4.         prev->next = next;    
5. }    
6.   
7. static inline void list_del(struct list_head * entry)    
8. {    
9.         __list_del(entry->prev, entry->next);    
10.         entry->next = LIST_POSITION;    
11.         entry->prev = LIST_POSITION;    
12. }    

 

对 LIST_POISON1,LIST_POISON2 的解释：

These are non-NULL pointers that will result in page faults under normal circumstances, used to verify that nobody uses  non-initialized list entries.

[c-sharp] view plaincopy

1. #define LIST_POISON1  ((void *) 0x00100100)  
2. #define LIST_POISON2  ((void *) 0x00200200)  

 

 

移动节点

[c-sharp]  view plain copy

1. static inline void list_move(struct list_head * list, struct list_head * head)    
2. {    
3.     __list_del(list->prev, list->next);    
4.     list_add(list, head);    
5. }   
6.   
7. static inline void list_move_tail(struct list_head *  list, struct list_head *  head)  
8. {  
9.     __list_del(list->prev, list->next);  
10.     list_add_tail(list, head);     
11. }  

 

链表合并

[c-sharp]  view plain copy

1. static inline void _list_splice(struct list_head * list, struct list_head * head)  
2. {  
3.     struct list_head * first = list->next;  
4.     struct list_head * last = list->prev;  
5.     struct list_head * at = head->next;  
6.   
7.     first->prev = head;  
8.     head->next = first;  
9.   
10.     last->next = at;  
11.     at->prev = last;  
12. }  
13.   
14. static inline void list_splice(struct list_head * list, struct list_head * head)  
15. {  
16.     if(!list_empty(list))  
17.         __list_splice(list, head);  
18. }   

  

 

将一个非空链表插入到另外一个链表中。先做链表是否为空的检查，因为每个链表只有一个头节点，将空链表插入到另外一个链表中是没有意义的。但被插入的链表可以是空的。两个链表有两个头结点，在函数中要去掉一个头结点。

 

链表遍历

[c-sharp]  view plain copy

1. #define list_for_each(pos, head)/  
2.             for(pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head);  
3. static inline void prefetch(void *x)  
4. {  
5.     asm volatile("prefetch0 %0":  
6.                                             :  
7.                                          "m"(* unsigned long *)x));  
8. }  
9.  
10. #define list_for_each_entry(pos, head, member)      /    
11.        for(pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos),member);  /    
12.        prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);  /    
13.        pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos),member))   

prefetch为预取函数，提前预取下一指令，能提高程序执行速度。

队列

队列也是一种链表，只是针对队列的操作只能是从队尾插入，从队首删除。在操作系统中有很多这种数据结构的用武之地，一般是一个进程产生数据，另外一个进程处理数据，如Linux中网络数据包的处理，进程之间使用管道通信等，都是这种情况。Linux内核中队列称作kfifo，其对应的源文件时kernel/kfifo.c，<linux/kfifo.h>中包含了其声明。

 struct __kfifo {
     unsigned int    in;
     unsigned int    out;
     unsigned int    mask;
     unsigned int    esize;
     void        *data;
 };


 #define __STRUCT_KFIFO_COMMON(datatype, recsize, ptrtype) /
     union { /
         struct __kfifo    kfifo; /
         datatype    *type; /
         char        (*rectype)[recsize]; /
         ptrtype        *ptr; /
         const ptrtype    *ptr_const; /
     }


 #define __STRUCT_KFIFO_PTR(type, recsize, ptrtype) /
 { /
     __STRUCT_KFIFO_COMMON(type, recsize, ptrtype); /
     type        buf[0]; /
 }


 struct kfifo __STRUCT_KFIFO_PTR(unsigned char, 0, void);

kfifo提供了两种操作，入队(in)和出队(out)，为了记录下一次出队或者入队的位置，kfifo维护了两个变量in和out。入队操作会将数据拷贝至队列中，具体位置由in确定，然后根据数据大小更新in，标识下一入队发生的位置。出队的操作与之类似。当in和out相等时，队列为空，此时不能执行出队操作。当in等于队列长度时，不能执行入队操作。

和其他内核对象一样，定义并初始化队列也有静态和动态两种方式。

动态方法

 static inline int __must_check
 __kfifo_int_must_check_helper(int val)
 {
     return val;
 }


 #define kfifo_alloc(fifo, size, gfp_mask) /
 __kfifo_int_must_check_helper( /
 ({ /
     typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); /
     struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; /
     __is_kfifo_ptr(__tmp) ? /
     __kfifo_alloc(__kfifo, size, sizeof(*__tmp->type), gfp_mask) : /
     -EINVAL; /
 }) /
 )

这个函数创建并初始化一个大小为size的队列。gfp_mask指定内存分配方式，可以取值GFP_KERNEL，GFP_ATOMIC，当在进程上下文分配内存，使用GFP_KERNEL，此时，允许kmalloc函数因为等待内存页释放而睡眠。如果，在中断上下文中分配内存，使用GFP_ATOMIC，此时kmalloc不能睡眠，此时可能由于内存不足导致分配失败。

如果，你想自己分配队列空间，可以使用下面这个函数。

 #define kfifo_init(fifo, buffer, size) /
 ({ /
     typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); /
     struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; /
     __is_kfifo_ptr(__tmp) ? /
     __kfifo_init(__kfifo, buffer, size, sizeof(*__tmp->type)) : /
     -EINVAL; /
 })

这个函数创建并初始化kfifo，这个kfifo使用buffer指向的大小为size的区域作为队列节点存储区域。注意，size必须为2的n次方，即size = 2 ⁿ。

静态方法

DECLARE_KFIFO(name, size);

INIT_KFIFO(name);

入队

但kfifo成功创建后，就可以想队列尾部放入数据

 #define    kfifo_in(fifo, buf, n) /
 ({ /
     typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); /
     typeof((buf) + 1) __buf = (buf); /
     unsigned long __n = (n); /
     const size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); /
     struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; /
     if (0) { /
         typeof(__tmp->ptr_const) __dummy __attribute__ ((unused)); /
         __dummy = (typeof(__buf))NULL; /
     } /
     (__recsize) ?/
     __kfifo_in_r(__kfifo, __buf, __n, __recsize) : /
     __kfifo_in(__kfifo, __buf, __n); /
 })

这个函数将buf开始的n个字符插入队列。这里是尽最大努力的拷贝，也就是说如果空间不足，拷贝的大小就是可用空间可容纳的大小。

出队

 #define    kfifo_out(fifo, buf, n) /
 __kfifo_uint_must_check_helper( /
 ({ /
     typeof((fifo) + 1) __tmp = (fifo); /
     typeof((buf) + 1) __buf = (buf); /
     unsigned long __n = (n); /
     const size_t __recsize = sizeof(*__tmp->rectype); /
     struct __kfifo *__kfifo = &__tmp->kfifo; /
     if (0) { /
         typeof(__tmp->ptr) __dummy = NULL; /
         __buf = __dummy; /
     } /
     (__recsize) ?/
     __kfifo_out_r(__kfifo, __buf, __n, __recsize) : /
     __kfifo_out(__kfifo, __buf, __n); /
 }) /
 )

这个函数从队列中读出长度为n的数据，然后放入以buf表示的缓冲区中。出队意味着以后数据已不在队列中，你也可以调用函数kfifo_out_peek来读取数据而不从队列中删除这些数据。对于队列的操作需要注意的就是同步的问题，因为这等效于读者和写者问题。有兴趣可以看看内核中的实现。

其他队列的操作还有很多，代码文件位于linux/kfifo.c以及include/linux/kfifo.h中。