Linux內核中使用的數據結構
Linux內核代碼中廣泛使用了數據結構和算法，其中最常用的兩個是鏈表和紅黑樹。
鏈表
Linux內核代碼大量使用了鏈表這種數據結構。鏈表是在解決數組不能動態擴展這個缺陷而產生的一種數據結構。鏈表所包含的元素可以動態創建并插入和刪除。鏈表的每個元素都是離散存放的，因此不需要占用連續的內存。鏈表通常由若干節點組成，每個節點的結構都是一樣的，由有效數據區和指針區兩部分組成。有效數據區用來存儲有效數據信息，而指針區用來指向鏈表的前繼節點或者后繼節點。因此，鏈表就是利用指針將各個節點串聯起來的一種存儲結構。
（1）單向鏈表
單向鏈表的指針區只包含一個指向下一個節點的指針，因此會形成一個單一方向的鏈表，如下代碼所示。
int data; /*有效數據*/
struct list *next; /*指向下一個元素的指針*/
};
如圖所示，單向鏈表具有單向移動性，也就是只能訪問當前的節點的后繼節點，而無法訪問當前節點的前繼節點，因此在實際項目中運用得比較少。
單向鏈表示意圖
（2）雙向鏈表
如圖所示，雙向鏈表和單向鏈表的區別是指針區包含了兩個指針，一個指向前繼節點，另一個指向后繼節點，如下代碼所示。
int data; /*有效數據*/
struct list *next; /*指向下一個元素的指針*/
struct list *prev; /*指向上一個元素的指針*/
};
雙向鏈表示意圖
（3）Linux內核鏈表實現
單向鏈表和雙向鏈表在實際使用中有一些局限性，如數據區必須是固定數據，而實際需求是多種多樣的。這種方法無法構建一套通用的鏈表，因為每個不同的數據區需要一套鏈表。為此，Linux內核把所有鏈表操作方法的共同部分提取出來，把不同的部分留給代碼編程者自己去處理。Linux內核實現了一套純鏈表的封裝，鏈表節點數據結構只有指針區而沒有數據區，另外還封裝了各種操作函數，如創建節點函數、插入節點函數、刪除節點函數、遍歷節點函數等。
Linux內核鏈表使用struct list_head數據結構來描述。
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
struct list_head數據結構不包含鏈表節點的數據區，通常是嵌入其他數據結構，如struct page數據結構中嵌入了一個lru鏈表節點，通常是把page數據結構掛入LRU鏈表。
struct page {
...
struct list_head lru;
...
}
鏈表頭的初始化有兩種方法，一種是靜態初始化，另一種動態初始化。
把next和prev指針都初始化并指向自己，這樣便初始化了一個帶頭節點的空鏈表。
/*靜態初始化*/
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name)
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
/*動態初始化*/
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
list->next = list;
list->prev = list;
}
添加節點到一個鏈表中，內核提供了幾個接口函數，如list_add()是把一個節點添加到表頭，list_add_tail()是插入表尾。
void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
遍歷節點的接口函數。
這個宏只是遍歷一個一個節點的當前位置，那么如何獲取節點本身的數據結構呢？這里還需要使用list_entry()宏。
container_of(ptr, type, member)
container_of()宏的定義在kernel.h頭文件中。
#define container_of(ptr, type, member) ({
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
其中offsetof()宏是通過把0地址轉換為type類型的指針，然后去獲取該結構體中member成員的指針，也就是獲取了member在type結構體中的偏移量。最后用指針ptr減去offset，就得到type結構體的真實地址了。
下面是遍歷鏈表的一個例子。
static ssize_t class_osdblk_list(struct class *c,
struct class_attribute *attr,
char *data)
{
int n = 0;
struct list_head *tmp;
list_for_each(tmp, &osdblkdev_list) {
struct osdblk_device *osdev;
osdev = list_entry(tmp, struct osdblk_device, node);
n += sprintf(data+n, "%d %d %llu %llu %sn",
osdev->id,
osdev->major,
osdev->obj.partition,
osdev->obj.id,
osdev->osd_path);
}
return n;
}
紅黑樹
紅黑樹（Red Black Tree）被廣泛應用在內核的內存管理和進程調度中，用于將排序的元素組織到樹中。紅黑樹被廣泛應用在計算機科學的各個領域中，它在速度和實現復雜度之間提供一個很好的平衡。
紅黑樹是具有以下特征的二叉樹。
每個節點或紅或黑。
- 每個葉節點是黑色的。
- 如果結點都是紅色，那么兩個子結點都是黑色。
- 從一個內部結點到葉結點的簡單路徑上，對所有葉節點來說，黑色結點的數目都是相同的。
紅黑樹的一個優點是，所有重要的操作（例如插入、刪除、搜索）都可以在O(log n)時間內完成，n為樹中元素的數目。經典的算法教科書都會講解紅黑樹的實現，這里只是列出一個內核中使用紅黑樹的例子，供讀者在實際的驅動和內核編程中參考。這個例子可以在內核代碼的documentation/Rbtree.txt文件中找到。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_AUTHOR("figo.zhang");
MODULE_DESCRIPTION(" ");
MODULE_LICENSE("GPL");
struct mytype {
struct rb_node node;
int key;
};
/*紅黑樹根節點*/
struct rb_root mytree = RB_ROOT;
/*根據key來查找節點*/
struct mytype *my_search(struct rb_root *root, int new)
{
struct rb_node *node = root->rb_node;
while (node) {
struct mytype *data = container_of(node, struct mytype, node);
if (data->key > new)
node = node->rb_left;
else if (data->key < new)
node = node->rb_right;
else
return data;
}
return NULL;
}
/*插入一個元素到紅黑樹中*/
int my_insert(struct rb_root *root, struct mytype *data)
{
struct rb_node **new = &(root->rb_node), *parent=NULL;
/* 尋找可以添加新節點的地方 */
while (*new) {
struct mytype *this = container_of(*new, struct mytype, node);
parent = *new;
if (this->key > data->key)
new = &((*new)->rb_left);
else if (this->key < data->key) {
new = &((*new)->rb_right);
} else
return -1;
}
/* 添加一個新節點 */
rb_link_node(&data->node, parent, new);
rb_insert_color(&data->node, root);
return 0;
}
static int __init my_init(void)
{
int i;
struct mytype *data;
struct rb_node *node;
/*插入元素*/
for (i =0; i < 20; i+=2) {
data = kmalloc(sizeof(struct mytype), GFP_KERNEL);
data->key = i;
my_insert(&mytree, data);
}
/*遍歷紅黑樹，打印所有節點的key值*/
for (node = rb_first(&mytree); node; node = rb_next(node))
printk("key=%dn", rb_entry(node, struct mytype, node)->key);
return 0;
}
static void __exit my_exit(void)
{
struct mytype *data;
struct rb_node *node;
for (node = rb_first(&mytree); node; node = rb_next(node)) {
data = rb_entry(node, struct mytype, node);
if (data) {
rb_erase(&data->node, &mytree);
kfree(data);
}
}
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
mytree是紅黑樹的根節點，my_insert()實現插入一個元素到紅黑樹中，my_search()根據key來查找節點。內核大量使用紅黑樹，如虛擬地址空間VMA的管理。
無鎖環形緩沖區
生產者和消費者模型是計算機編程中最常見的一種模型。生產者產生數據，而消費者消耗數據，如一個網絡設備，硬件設備接收網絡包，然后應用程序讀取網絡包。環形緩沖區是實現生產者和消費者模型的經典算法。環形緩沖區通常有一個讀指針和一個寫指針。讀指針指向環形緩沖區中可讀的數據，寫指針指向環形緩沖區可寫的數據。通過移動讀指針和寫指針實現緩沖區數據的讀取和寫入。
在Linux內核中，KFIFO是采用無鎖環形緩沖區的實現。FIFO的全稱是“First In First Out”，即先進先出的數據結構，它采用環形緩沖區的方法來實現，并提供一個無邊界的字節流服務。采用環形緩沖區的好處是，當一個數據元素被消耗之后，其余數據元素不需要移動其存儲位置，從而減少復制，提高效率。
（1）創建KFIFO
在使用KFIFO之前需要進行初始化，這里有靜態初始化和動態初始化兩種方式。
int kfifo_alloc(fifo, size, gfp_mask)
該函數創建并分配一個大小為size的KFIFO環形緩沖區。第一個參數fifo是指向該環形緩沖區的struct kfifo數據結構；第二個參數size是指定緩沖區元素的數量；第三個參數gfp_mask表示分配KFIFO元素使用的分配掩碼。
靜態分配可以使用如下的宏。
#define INIT_KFIFO(fifo)
（2）入列
把數據寫入KFIFO環形緩沖區可以使用kfifo_in()函數接口。
該函數把buf指針指向的n個數據復制到KFIFO環形緩沖區中。第一個參數fifo指的是KFIFO環形緩沖區；第二個參數buf指向要復制的數據的buffer；第三個數據是要復制數據元素的數量。
（3）出列
從KFIFO環形緩沖區中列出或者摘取數據可以使用kfifo_out()函數接口。
該函數是從fifo指向的環形緩沖區中復制n個數據元素到buf指向的緩沖區中。如果KFIFO環形緩沖區的數據元素小于n個，那么復制出去的數據元素小于n個。
（4）獲取緩沖區大小
KFIFO提供了幾個接口函數來查詢環形緩沖區的狀態。
#define kfifo_len(fifo)
#define kfifo_is_empty(fifo)
#define kfifo_is_full(fifo)
kfifo_size()用來獲取環形緩沖區的大小，也就是最大可以容納多少個數據元素。kfifo_len()用來獲取當前環形緩沖區中有多少個有效數據元素。kfifo_is_empty()判斷環形緩沖區是否為空。kfifo_is_full()判斷環形緩沖區是否為滿。
（5）與用戶空間數據交互
KFIFO還封裝了兩個函數與用戶空間數據交互。
#define kfifo_to_user(fifo, to, len, copied)
kfifo_from_user()是把from指向的用戶空間的len個數據元素復制到KFIFO中，最后一個參數copied表示成功復制了幾個數據元素。
kfifo_to_user()則相反，把KFIFO的數據元素復制到用戶空間。這兩個宏結合了copy_to_user()、copy_from_user()以及KFIFO的機制，給驅動開發者提供了方便。
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