Linux内核中常用的数据结构和算法

Linux内核代码中广泛使用了数据结构和算法，其中最常用的两个是链表和红黑树。

链表

Linux内核代码大量使用了链表这种数据结构。链表是在解决数组不能动态扩展这个缺陷而产生的一种数据结构。链表所包含的元素可以动态创建并插入和删除。链表的每个元素都是离散存放的，因此不需要占用连续的内存。链表通常由若干节点组成，每个节点的结构都是一样的，由有效数据区和指针区两部分组成。有效数据区用来存储有效数据信息，而指针区用来指向链表的前继节点或者后继节点。因此，链表就是利用指针将各个节点串联起来的一种存储结构。

（1）单向链表

单向链表的指针区只包含一个指向下一个节点的指针，因此会形成一个单一方向的链表，如下代码所示。

struct list { int data; /*有效数据*/ struct list *next; /*指向下一个元素的指针*/ };登录后复制

单向链表示意图

（2）双向链表

如图所示，双向链表和单向链表的区别是指针区包含了两个指针，一个指向前继节点，另一个指向后继节点，如下代码所示。

struct list { int data; /*有效数据*/ struct list *next; /*指向下一个元素的指针*/ struct list *prev; /*指向上一个元素的指针*/ };登录后复制

（3）Linux内核链表实现

单向链表和双向链表在实际使用中有一些局限性，如数据区必须是固定数据，而实际需求是多种多样的。这种方法无法构建一套通用的链表，因为每个不同的数据区需要一套链表。为此，Linux内核把所有链表操作方法的共同部分提取出来，把不同的部分留给代码编程者自己去处理。Linux内核实现了一套纯链表的封装，链表节点数据结构只有指针区而没有数据区，另外还封装了各种操作函数，如创建节点函数、插入节点函数、删除节点函数、遍历节点函数等。

Linux内核链表使用struct list_head数据结构来描述。

struct list_head { struct list_head *next, *prev; };登录后复制

struct page { ... struct list_head lru; ... }登录后复制

把next和prev指针都初始化并指向自己，这样便初始化了一个带头节点的空链表。

/*静态初始化*/ #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) } #define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name) /*动态初始化*/ static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list) { list->next = list; list->prev = list; }登录后复制

void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)登录后复制

#define list_for_each(pos, head) for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)登录后复制

#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member) container_of()宏的定义在kernel.h头文件中。 #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)登录后复制

下面是遍历链表的一个例子。

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; }登录后复制