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(guò)結(jié)構(gòu) struct list_head來(lái)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，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(lái)：
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; i<100; 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=%d\n", p->data);
}
}
優(yōu)點(diǎn)：
這樣就可以用相同的數(shù)據(jù)處理方式來(lái)描述所有雙向鏈表，不用再單獨(dú)為各個(gè)鏈表編寫(xiě)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(xiě)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(lái)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.c
u_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(lái)，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(lái)已經(jīng)不在系統(tǒng)timer鏈表中了，也就是已經(jīng)刪除過(guò)了)
對(duì)于SMP系統(tǒng)，刪除timer最好使用下面的函數(shù)來(lái)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(lái)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(wú)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(wèn)題，當(dāng)然只是一次回繞，回繞兩次當(dāng)然是判斷不出來(lái)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(lái)前是睡眠的，事件到來(lái)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(guò)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(lái)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;
posted on 2010-04-01 19:59
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