04内核数据结构

1、链表

链表是linux内核中最简单同时也是应用最广泛的数据结构。链表是一种存放和操作可变数量元素的数据结构，动态创建，无需在内存中占用连续内存区。Linux内核的标准链表采用循环双向链表实现的。

（1）单向链表和双向链表

struct list_element{
	void *data;					/*有效数据*/
	struct list_element *next;	/*指向下一个元素的指针*/
	/* struct list_element *prev;  加上就变成双向链表*/	
};

（2）Linux内核中的实现

Linux内核中不是将数据结构加入链表，而是将链表节点加入数据结构。这样如何访问数据结构中的其他成员呢？C语言中，一个给定结构中的变量偏移在编译时地址就被固定下来了，使用container_of()可以通过链表指针找到父结构fox中的任何变量。这样做的好处是管理链表并不需要知道list_head所嵌入对象的数据结构。

struct list_head{
	struct list_head *next;
	struct list_head *prev;
};
struct fox{
	unsigned long tail_length;	/*尾巴长度*/
	struct list_head list;		/*所有fox结构体形成链表*/
};

（3）操作链表

• list_add(struct list_head *new,struct list_head *head):添加节点
• list_add_tail(struct list_head *new,struct list_head *head):添加节点到链尾
• list_del(struct list_head *entry):删除一个节点
• list_del_init()st_del_init(struct list_head *entry):删除一个节点并重新初始化。
• list_move(struct list_head *list,struct list_head *head):将list链表添加到head后面。
• list_move_tail(struct list_head *list,struct list_head *head):将list项插入到head项前
• list_empty(struct list_head *head):检查链表是否为空。
• list_splice(struct list_head *list,struct list_head *head):将list指向的链表插入到head的后面。
• list_splice_init(struct list_head *list,struct list_head *head):功能基本相同，不过重新初始化了原来的链表。
• list_for_each(p,list){}:遍历表中的全部元素。
• list_for_each_entry(pos,head,member):遍历节点，
• list_for_each_entry_reverse(pos,head,member):反向遍历链表。
• list_for_each_entry_safe(pos,next,head,member):遍历的同时删除，标准操作中是只允许修改，不能删除否则会掉链。这里启动next指针将下一项存入表中。使得当前表项能够安全删除。
• list_for_each_entry_safe_reverse(pos,next,head,member):反向遍历并安全删除。

2、队列

Linux内核通用队列实现称为kfifo。和多数其他队列实现类似，提供了两个主要操作：enqueue（入队）和dequeue（出队列）。kfifo对象维护了两个偏移量：入口偏移和出口偏移。enqueue操作拷贝数据到队列中的入口偏移位置。dequeue操作从队列中出口偏移处拷贝数据。

内核kfifo简约高效，匠心独运，有一下特点：

• 保证缓冲区大小为2的次幂，不是的向上取整为2的次幂。
• 使用无符号整数保存输入(in)和输出(out)的位置，在输入输出时不对in和out的值进行模运算，而让其自然溢出，并能够保证in-out的结果为缓冲区中已存放的数据长度。
• 将需要取模的运算用 & 操作代替（a%size=(a&(size−1))), 这需要size保证为2的次幂。
• 使用内存屏障(Memory Barrier)技术，实现单消费者和单生产者对kfifo的无锁并发访问，多个消费者、生产者的并发访问还是需要加锁的

操作队列：

• int kfifo_alloc(struct kfifo *kfifo,unsigned int size, gfp_t gfp_mask):初始化一个大小为size的kfifo队列。也可以使用静态的声明DECLARE_KFIFO(name,size)
• void kfifo_init(strcut kfifo *fifo,void *buffer,unsigned int size):自己分配缓冲区，也可以使用INIT_KFIFO(name)。
• unsigned int kfifo_in(struct kfifo *fifo,const void *from,unsigned int len):数据入队列。把from指向的len字节的数据拷贝到fifo所指的队列中。
• unsigned int kfifo_out(struct kfifo *fifo,const void *to,unsigned int len):将fifo所指向的队列中拷贝出长度为len字节的数据到to所指的缓冲区中。相当于pop_back();
• unsigned int kfifo_out_peek(struct kfifo *fifo,const void *to,unsigned int len,unsigned offset):获取队列中的元素，相当与pop()
• static inline unsigned int kfifo_size(struct kfifo *fifo):返回用于存储kfifo队列的空间的总体大小
• static inline unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo):返回用于存储kfifo队列的已经推入的数据大小
• static inline unsigned int kfifo_avail(struct kfifo *fifo):返回用于存储kfifo队列的剩余空间的大小
• static inline int kfifo_is_empty(struct kfifo *fifo):给定的kfifo是否为空
• static inline int kfifo_is_full(struct kfifo *fifo):是否已满
• static inline void kfifo_reset(struct kfifo *fifo):抛弃数据重置内容。
• static inline void kfifo_free(struct kfifo *fifo):重新释放内存

3、映射

就是C++中的Map和set等映射操作的集合。Linux 内核提供了简单、有效的映射数据结构。但是它并非一个通用的映射：映射一个唯一的标识数(UID)到一个指针。映射的add操作中实现了allocate操作，不但向map中加入了键值对，而且还可以产生UID。Linux内核中使用idr数据结构映射用户空间的UID，比如将inodify watch的描述符或者POSIX的定时器ID映射到内核中相关联的数据结构上。如inotify_watch或者k_itimer结构。这里的UID相当于关键子key。

操作映射：

• void idr_init(struct idr *idp):初始化一个idr结构体
• int idr_pre_get(struct idr *idp,gfp_t gfp_mask):调整idp指向的idr的大小(如果需要)。使用内存分配标识符gfp_mask。返回0(失败)，1(成功)
• int idr_get_new(struct idr *idp,void *ptr,int *id):使用idp所指向的idr去分配一个新的UID，并且将其关联到指针ptr上。新的UID存于id。相当与存入一个值
• int idr_get_new_above(struct idr *idp,void *ptr,int starting_id,int *id):返回UID大于starting_id的最小值。相当于查找一个值。
• void *idr_find(struct idr *idp,int id):查找一个指定的值。
• void *idr_remove(struct idr *idp,int id):删除id以及与id关联的指针。
• void *idr_destroy(struct idr *idp):释放idr中未使用的内存。它并不释放当前已经分配的内存。
• void idr_remove_all(struct idr *idp):彻底释放对应的内存。

4、二叉树

Linux实现的红黑树称为rbtree，详细源码实现说明见红黑树（rbtree）。Linux的rbtree类似于经典红黑树，即保持了平衡性，所以插入效率为O(logn)。

5、数据结构及选择

链表：

• 遍历数据，没有数据结构可以提供比线性复杂度更好的遍历元素。
• 性能并非首要考虑因素时，或者存储较少的数据项

队列：

• 代码符合生产者/消费者模式，则使用队列。
• 想要一个定长缓冲，队列添加和删除项的工作简单有效。

映射：

• 映射UID到一个对象，就使用映射。

红黑树：

• 存储大量数据，并且检索迅速。