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

精品文檔-下載后可編輯linux內(nèi)核中一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作-基礎(chǔ)電子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)structlist_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)：structlist_head{

structlist_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：#defineLIST_HEAD_INIT(name){(name),(name)}#defineLIST_HEAD(name)\

structlist_headname=LIST_HEAD_INIT(name)#defineINIT_LIST_HEAD(ptr)do{\

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

}while(0)常用的鏈表操作：插入到鏈表頭:

voidlist_add(structlist_head*new,structlist_head*head);插入到鏈表尾:

voidlist_add_tail(structlist_head*new,structlist_head*head);刪除鏈表節(jié)點(diǎn):

voidlist_del(structlist_head*entry);將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到另一鏈表:

voidlist_move(structlist_head*list,structlist_head*head);將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到鏈表尾:

voidlist_move_tail(structlist_head*list,structlist_head*head);判斷鏈表是否為空，返回1為空，0非空

intlist_empty(structlist_head*head);把兩個(gè)鏈表拼接起來：

voidlist_splice(structlist_head*list,structlist_head*head)；取得節(jié)點(diǎn)指針：

#definelist_entry(ptr,type,member)\

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

#definelist_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)：

#definelist_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);structmy_list{

structlist_headlist;

intdata;

};staticintini_list(void)

{

structmy_list*p;

inti;

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

p=kmalloc(sizeof(structmy_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：++

||

|mylist99980|

|++++++++|

+-|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：staticvoiddel_item(structmy_list*p)

{

list_del(p-list,mylist);

kfree(p);

}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：#definelist_entry(ptr,type,member)\

((type*)((char*)(ptr)-(unsignedlong)(((type*)0)-member)))ptr是鏈表元素結(jié)構(gòu)(如structmy_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structmy_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structmy_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：staticvoidprint_list(void)

{

structlist_head*cur;

structmy_list*p;list_for_each(cur,mylist){

p=list_entry(cur,structmy_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(conststructip_conntrack_tuple*tuple)

{

#if0

dump_tuple(tuple);

#endif

return(jhash_3words(tuple-src.ip,

(tuple-dst.ip^tonum),

(tuple-src.u.all|(tuple-dst.u.all16)),

ip_conntrack_hash_rnd)%ip_conntrack_htable_size);

}//include/linux/jhash.h

staticinlineu32jhash_3words(u32a,u32b,u32c,u32initval)

{

a+=JHASH_GOLDEN_RATIO;

b+=JHASH_GOLDEN_RATIO;

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

}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*/

structtimer_list{

structlist_headlist;

unsignedlongexpires;

unsignedlongdata;

void(*function)(unsignedlong);

};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：

externvoidadd_timer(structtimer_list*timer);刪除timer，將timer從系統(tǒng)timer鏈表中拆除：

externintdel_timer(structtimer_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使用下面的函數(shù)來防止沖突：

externintdel_timer_sync(structtimer_list*timer);修改timer，修改timer的到期時(shí)間：

intmod_timer(structtimer_list*timer,unsignedlongexpires);通常用法：

structtimer_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bottomhalf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tophalf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：#definetime_after(a,b)((long)(b)-(long)(a)0)

#definetime_before(a,b)time_after(b,a)#definetime_after_eq(a,b)((long)(a)-(long)(b)=0)

#definetime_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：longkernel_thread(int(*fn)(void*),void*arg,unsignedlongflags)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?？傊遣荒芤恢闭贾鳦PU。以下是內(nèi)核線程的一個(gè)實(shí)例，取自kernel/context.c:intstart_context_thread(void)

{

staticstructcompletionstartup__initdata=COMPLETION_INITIALIZER(startup);kernel_thread(context_thread,startup,CLONE_FS|CLONE_FILES);

wait_for_completion(startup);

return0;

}staticintcontext_thread(void*startup)

{

structtask_struct*curtask=current;

DECLARE_WAITQUEUE(wait,curtask);

structk_sigactionsa;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((structcompletion*)startup);/*InstallahandlersoSIGCLDisdelivered*/

sa.sa.sa_handler=SIG_IGN;

sa.sa.sa_flags=0;

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

do_sigaction(SIGCHLD,sa,(structk_sigaction*)0);/*

*Ifoneofthefunctionsonataskqueuere-addsitself

*tothetaskqueuewecallschedule()instateTASK_RUNNING

*/

for(;;){

set_task_state(curtask,T