内核数据结构

内核中的链表

Linux内核中使用的链表方式可谓是独树一帜，它将各个结构体链接在一起并不是将数据结构塞入链表，而是将链表节点塞入数据结构！
如普通的链表结构：

struct fox {
	long tail_length;
	long weight;
	struct fox *nex;
	struct fox *prev;
};

上面这种双链表结构是最常见的结构，是直接将fox结构放入链表中。
而Linux内核使用的是如下方式：

struct list_head {
	struct list_head *next;
	struct list_head *prev;
}
struct fox {
	long tail_length;
	long weight;
	struct list_head list;
}

与传统方式不同，Linux使用的是将链表放入结构中。
有了Linux这种结构就可以直接将带有list_head结构的结构体链在一起，可以有如下结构：

有了如上结构，那么就可以轻松将结构链接起来，直接将结构体里面的list成员传入到list_add函数即可，实现如下：

static __inline__ void __list_add(struct list_head *new,
				  struct list_head *prev,
				  struct list_head *next)
{
	next->prev = new;
	new->next = next;
	new->prev = prev;
	prev->next = new;
}

现在链接起来的是list_head类型的结构，但是我们要获取的是包含list_head成员的fox结构，那该怎么获取呢？
由于C语言中，一个给定的结构中变量偏移时的地址被ABI固定下来了，所以我们可以根据地址偏移来找到fox结构，Linux中是使用宏list_entry()来实现这种方法的，代码如下：

/**
 * list_entry - get the struct for this entry
 * @ptr:	the &struct list_head pointer.
 * @type:	the type of the struct this is embedded in.
 * @member:	the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_entry(ptr, type, member) \
	((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)->member)))

依靠list_entry()方法，内核提供了创建、操作以及其他链表管理的各种例程，所有这些方法都不需要知道list_head所嵌入对象的数据结构。
而且我们可以从任何一个节点起遍历整个链表，直到我们看到所有节点。

遍历链表有以下几种方法：

1. 最基本的方法：使用list_for_each()宏。
2. 比较灵活的：使用list_for_each_entry()宏。
3. 反向遍历链表：list_for_each_entry_reverse()宏。
4. 遍历的同时删除：list_for_each_entry_safe()宏。

其中常用的是：

/**
 * list_for_each_entry	-	iterate over list of given type
 * @pos:	the type * to use as a loop cursor.
 * @head:	the head for your list.
 * @member:	the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry(pos, head, member)				\
	for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);	\
	     prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); 	\
	     pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

这种方法使用的是遍历list_head链表中所有的成员，然后找到指定的head则返回。

内核中的队列

队列一般用于生产者和消费者模型，即通过队列实现消息的存放和提取。
Linux内核使用的是叫做kfifo的队列，和多数队列相似，提供了两个主要操作：enqueue（入队列）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。

入口偏移：指下一次入队列时的位置。
出口偏移：下一次出队列的位置。
队列空：出口偏移等于入口偏移。
队列满：入口偏移等于队列长度。

红黑树

Linux主要的平衡二叉树数据结构就是红黑树。
红黑树能维持半平衡结构，遵循以下六个属性：

(1). 所有叶子节点只能是红色或者时黑色。
(2). 叶子节点都是黑色。
(3). 叶子节点不包含数据
(4). 所有非叶子节点都有两个子节点
(5). 如果一个节点是红色，则它的子节点都是黑色
(6). 在一个节点到其叶子节点的路径中，如果总是包含同样数目的黑色节点，则该路径相比其他路径是最短的。
通过以上特性，保证了最深的叶子节点的深度不会大于两倍的最浅叶子节点的深度，所以红黑树总是半平衡的。

数据结构的选择：
队列：符合生产者/消费者模型。
映射：需要映射一个UID到一个对象。
红黑树：需要存储大量数据，并且检索迅速。检索快，但是耗内存。
链表：不需要执行太多次紧迫的查找操作。

内核除了以上数据结构外，还有其他数据结构，比如映射、基树和位图等。

总结：
平时写代码时，尽量在已经存在的数据结构基础上拓展，很多时候不必重复造轮子，我们可以参考已有的数据结构，找到符合我们需要场景即可。