linux內(nèi)核中一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作

1. 前言 本文介紹linux內(nèi)核中一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作。2. 雙向鏈表(liST)linux內(nèi)核中的雙向鏈表通過結(jié)構(gòu) struct list_head來將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，此結(jié)構(gòu)會(huì)作為鏈表元素結(jié)構(gòu)中的一個(gè)參數(shù)：struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};鏈表頭的初始化，注意，結(jié)構(gòu)中的指針為NULL并不是初始化，而是指向自身才是初始化，如果只是按普通情況下的置為NULL，而不是指向自身，系統(tǒng)會(huì)崩潰，這是一個(gè)容易犯的錯(cuò)誤：#define LIST_HEAD_INIT(name) { (nAME), (name) }#define LIST_HEAD(name)

struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do {

(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr);

} while (0)最常用的鏈表操作：插入到鏈表頭:

void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head);插入到鏈表尾:

void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head);刪除鏈表節(jié)點(diǎn):

void list_del(struct list_head *entry);將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到另一鏈表:

void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head);將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到鏈表尾:

void list_move_tail(struct list_head *list,struct list_head *head);判斷鏈表是否為空，返回1為空，0非空

int list_empty(struct list_head *head);把兩個(gè)鏈表拼接起來：

void list_splice(struct list_head *list, struct list_head *head);取得節(jié)點(diǎn)指針：

#define list_entry(ptr, type, member)

((type *)((char *)(ptr)-(unsigned lONg)(((type *)0)->member)))遍歷鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)：

#define list_for_each(pos, head)

for (pos = (head)->next, prefetch(pos->next); pos != (head);

pos = pos->next, prefetch(pos->next))逆向循環(huán)鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)：

#define list_for_each_prev(pos, head)

for (pos = (head)->prev, prefetch(pos->prev); pos != (head);

pos = pos->prev, prefetch(pos->prev))舉例：LISH_HEAD(mylist);struct my_list{

struct list_head list;

int data;

};stATIc int ini_list(void)

{

struct my_list *p;

int i;

for(i=0; i100; i++){

p=kmalloc(sizeof(struct my_list), GFP_KERNEL);

list_add(p->list, mylist);

}

}

在內(nèi)存中形成如下結(jié)構(gòu)的一個(gè)雙向鏈表：+---------------------------------------------------------------+

| |

| mylist 99 98 0 |

| +----+ +---------+ +---------+ +---------+ |

+->|next|--->|list.next|--->|list.next|--->...--->|list.next|---+

|----| |---------| |---------| |---------|

+--|prev|---|list.prev|---|list.prev|---...---|list.prev|--+

| +----+ |---------| |---------| |---------| |

| | data | | data | | data | |

| +---------+ +---------+ +---------+ |

| |

+---------------------------------------------------------------+知道了鏈表頭就能遍歷整個(gè)鏈表，如果是用list_add()插入新節(jié)點(diǎn)的話，從鏈表頭的next方向看是一個(gè)堆棧型。從鏈表中刪除節(jié)點(diǎn)很容易：staTIc void del_item(struct my_list *p)

{

list_del(p->list, mylist);

kfree(p);

}最重要的宏是list_entry，這個(gè)宏的思路是根據(jù)鏈表元素結(jié)構(gòu)中鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head的地址推算出鏈表元素結(jié)構(gòu)的實(shí)際地址：#define list_entry(ptr, type, member)

((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(((type *)0)->member)))ptr是鏈表元素結(jié)構(gòu)(如struct my_list)中鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head的地址

member是鏈表元素結(jié)構(gòu)(如struct my_list)中鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head參數(shù)的名稱

type是鏈表元素結(jié)構(gòu)類型(如struct my_list)計(jì)算原理是根據(jù)鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head的地址減去其在鏈表元素結(jié)構(gòu)中的偏移位置而得到鏈表元素結(jié)構(gòu)的地址。例如：static void print_list(void)

{

struct list_head *cur;

struct my_list *p;list_for_each(cur, mylist){

p=list_entry(cur, struct my_list, list);

printk(data=%dn, p->data);

}

}優(yōu)點(diǎn)：這樣就可以用相同的數(shù)據(jù)處理方式來描述所有雙向鏈表，不用再單獨(dú)為各個(gè)鏈表編寫各種編輯函數(shù)。缺點(diǎn)：

1) 鏈表頭中元素置為NULL不是初始化，與普通習(xí)慣不同;

2) 仍然需要單獨(dú)編寫各自的刪除整個(gè)鏈表的函數(shù)，不能統(tǒng)一處理，因?yàn)椴荒鼙ＷC所有鏈表元素結(jié)構(gòu)中鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head的偏移地址都是相同的，當(dāng)然如果把鏈表頭結(jié)構(gòu)list_head都作為鏈表元素結(jié)構(gòu)的第一個(gè)參數(shù)，就可以用統(tǒng)一的刪除整個(gè)鏈表的函數(shù)。

3. HASH表HASH表適用于不需要對(duì)整個(gè)空間元素進(jìn)行排序，而是只需要能快速找到某個(gè)元素的場(chǎng)合，是一種以空間換時(shí)間的方法，本質(zhì)也是線性表，但由一個(gè)大 的線性表拆分為了多個(gè)小線性表，由于只需要查找小表，因此搜索速度就會(huì)線性查整個(gè)大表提高很多，理想情況下，有多少個(gè)小線性表，搜索速度就提高了多少倍， 通常把小線性表的表頭綜合為一個(gè)數(shù)組，大小就是HASH表的數(shù)量。HASH表速度的關(guān)鍵是HASH函數(shù)的設(shè)計(jì)，HASH函數(shù)根據(jù)每個(gè)元素中固定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，算出一個(gè)不大于HASH表數(shù)量的索引值，表示該元 素需要放在該索引號(hào)對(duì)應(yīng)的那個(gè)表中，對(duì)于固定的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果始終是固定的，但對(duì)于不同的參數(shù)值，希望計(jì)算出來的結(jié)果能盡可能地平均到每個(gè)索引值， HASH函數(shù)計(jì)算得越平均，表示每個(gè)小表中元素的數(shù)量都會(huì)差不多，這樣搜索性能將越好。HASH函數(shù)也要盡可能的簡(jiǎn)單，以減少計(jì)算時(shí)間，常用的算法是將參 數(shù)累加求模，在include/linux/jhash.h中已經(jīng)定義了一些HASH計(jì)算函數(shù)，可直接使用。HASH表在路由cache表，狀態(tài)連接表等處用得很多。舉例，連接跟蹤中根據(jù)tuple值計(jì)算HASH：// net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_core.cu_int32_t

hash_conntrack(const struct ip_conntrack_tuple *tuple)

{

#if 0

dump_tuple(tuple);

#endif

return (jhash_3words(tuple->src.ip,

(tuple->dst.ip ^ tuple->dst.protonum),

(tuple->src.u.all | (tuple->dst.u.all  16)),

ip_conntrack_hash_rnd) % ip_conntrack_htable_size);

}// include/linux/jhash.h

static inline u32 jhash_3words(u32 a, u32 b, u32 c, u32 initval)

{

a += JHASH_GOLDEN_RATIO;

b += JHASH_GOLDEN_RATIO;

c += initval;__jhash_mix(a, b, c);return c;

}4. 定時(shí)器(timer)linux內(nèi)核定時(shí)器由以下結(jié)構(gòu)描述：/* include/linux/timer.h */

struct timer_list {

struct list_head list;

unsigned long expires;

unsigned long data;

void (*function)(unsigned long);

};list：timer鏈表

expires：到期時(shí)間

function：到期函數(shù)，時(shí)間到期時(shí)調(diào)用的函數(shù)

data：傳給到期函數(shù)的數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中通常是一個(gè)指針轉(zhuǎn)化而來，該指針指向一個(gè)結(jié)構(gòu)

timer的操作：增加timer，將timer掛接到系統(tǒng)的timer鏈表：

extern void add_timer(struct timer_list * timer);刪除timer，將timer從系統(tǒng)timer鏈表中拆除：

extern int del_timer(struct timer_list * timer);

(del_timer()函數(shù)可能會(huì)失敗，這是因?yàn)樵搕imer本來已經(jīng)不在系統(tǒng)timer鏈表中了，也就是已經(jīng)刪除過了)對(duì)于SMP系統(tǒng)，刪除timer最好使用下面的函數(shù)來防止沖突：

extern int del_timer_sync(struct timer_list * timer);修改timer，修改timer的到期時(shí)間：

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);通常用法：

struct timer_list通常作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)參數(shù)，在初始化結(jié)構(gòu)的時(shí)候初始化timer，表示到期時(shí)要進(jìn)行的操作，實(shí)現(xiàn)定時(shí)動(dòng)作，通常更多的是作為超時(shí) 處理的，timer函數(shù)作為超時(shí)時(shí)的資源釋放函數(shù)。注意：如果超時(shí)了運(yùn)行超時(shí)函數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)是處在時(shí)鐘中斷的bottom half里的，不能進(jìn)行很復(fù)雜的操作，如果要完成一些復(fù)雜操作，如到期后的數(shù)據(jù)發(fā)送，不能直接在到期函數(shù)中處理，而是應(yīng)該在到期函數(shù)中發(fā)個(gè)信號(hào)給特定內(nèi)核 線程轉(zhuǎn)到top half進(jìn)行處理。為判斷時(shí)間的先后，內(nèi)核中定義了以下宏來判斷：#define time_after(a,b) ((long)(b) - (long)(a)  0)

#define time_before(a,b) time_after(b,a)#define time_after_eq(a,b) ((long)(a) - (long)(b) >= 0)

#define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)這里用到了一個(gè)技巧，由于linux中的時(shí)間是無符號(hào)數(shù)，這里先將其轉(zhuǎn)換為有符號(hào)數(shù)后再判斷，就能解決時(shí)間回繞問題，當(dāng)然只是一次回繞，回繞兩次當(dāng)然是判斷不出來的，具體可自己實(shí)驗(yàn)體會(huì)。5. 內(nèi)核線程(kernel_thread)內(nèi)核中新線程的建立可以用kernel_thread函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)在kernel/fork.c中定義：long kernel_thread(int (*fn)(void *), void * arg, unsigned long flags)fn：內(nèi)核線程主函數(shù);

arg：線程主函數(shù)的參數(shù);

flags：建立線程的標(biāo)志;內(nèi)核線程函數(shù)通常都調(diào)用daemonize()進(jìn)行后臺(tái)化作為一個(gè)獨(dú)立的線程運(yùn)行，然后設(shè)置線程的一些參數(shù)，如名稱，信號(hào)處理等，這也不是必須 的，然后就進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，這是線程的主體部分，這個(gè)循環(huán)不能一直在運(yùn)行，否則系統(tǒng)就死在這了，或者是某種事件驅(qū)動(dòng)的，在事件到來前是睡眠的，事件到來后 喚醒進(jìn)行操作，操作完后繼續(xù)睡眠;或者是定時(shí)睡眠，醒后操作完再睡眠;或者加入等待隊(duì)列通過schedule()調(diào)度獲得執(zhí)行時(shí)間。總之是不能一直占著 CPU。以下是內(nèi)核線程的一個(gè)實(shí)例，取自kernel/context.c:int start_context_thread(void)

{

static struct completion startup __initdata = COMPLETION_INITIALIZER(startup);kernel_thread(context_thread, startup, CLONE_FS | CLONE_FILES);

wait_for_completion(startup);

return 0;

}static int context_thread(void *startup)

{

struct task_struct *curtask = current;

DECLARE_WAITQUEUE(wait, curtask);

struct k_sigaction sa;daemonize();

strcpy(curtask->comm, keventd);

keventd_running = 1;

keventd_task = curtask;spin_lock_irq(curtask->sigmask_lock);

siginitsetinv(curtask->blocked, sigmask(SIGCHLD));

recalc_sigpending(curtask);

spin_unlock_irq(curtask->sigmask_lock);complete((struct completion *)startup);/* Install a handler so SIGCLD is delivered */

sa.sa.sa_handler = SIG_IGN;

sa.sa.sa_flags = 0;

siginitset(sa.sa.sa_mask, sigmask(SIGCHLD));

do_sigaction(SIGCHLD, sa, (struct k_sigaction *)0);/*

* If one of the functions on a task queue re-adds itself

* to the task queue we call schedule() in state TASK_RUNNING

*/

for (;;) {

set_task_state(curtask, TASK_INTERRUPTIBLE);

add_wait_queue(context_task_wq, wait);

if (TQ_ACTIVE(tq_context))

set_task_state(curtask, TASK_RUNNING);

schedule();

remove_wait_queue(context_task_wq, wait);

run_task_queue(tq_context);

wake_up(context_task_done);

if (signal_pending(curtask)) {

while (waitpid(-1, (unsigned int *)0, __WALL|WNOHANG) > 0)

;

spin_lock_irq(curtask->sigmask_lock);

flush_signals(curtask);

recalc_sigpending(curtask);

spin_unlock_irq(curtask->sigmask_lock);

}

}

}6. 結(jié)構(gòu)地址在C中，結(jié)構(gòu)地址和結(jié)構(gòu)中第一個(gè)元素的地址是相同的，因此在linux內(nèi)核中經(jīng)常出現(xiàn)使用結(jié)構(gòu)第一個(gè)元素的地址來表示結(jié)構(gòu)地址的情況，在讀代碼時(shí)要注意這一點(diǎn)，這和list_entry宏的意思一樣。如：

struct my_struct{

int a;

int b;

}c;if(c == c.a){ // always true

...

}

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