详细的分析2.6.x内核中链表的实现,并通过实例对每个链表操作接口进行了分析。 1,链表数据结构分为,单链表,双链表,循环链表。这些在数据结构中都有了详细的描述。此处省略数百字。 2,Linux内核链表数据结构的实现 尽管这里使用2.6内核讲解,但是于2.4内核中的链表结构相同。不同之处在于2.6扩充了两种链表数据结构:链表的读拷贝更新(rch)和hash链表(hlist)。 链表数据结构的定义很简单(include/linux/list.h) struct list_head{\struct list_head *next, *prev;}; 由上可见内核链表具有双链表功能,事实上他都组织成双循环链表。 在linux内核链表中,需要用链表组织起来的数据通常都包括一个list_head成员。 3,链表操作接口 a,声明和初始化 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) } 当我们用LIST_HEAD(nf_sockopts)声明一个名为nf_sockopts的链表头时,它的next、prev指针都初始化为指向自己,这样,我们就有了一个空链表,因为Linux用头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空: static inline int list_empty(const struct list_head *head) 除了用LIST_HEAD()宏在声明的时候初始化一个链表以外,Linux还提供了一个INIT_LIST_HEAD宏用于运行时初始化链表: #define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \ b,插入/删除/合并 对链表的插入操作有两种:在表头插入和在表尾插入。Linux为此提供了两个接口: static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head); 假设有一个新nf_sockopt_ops结构变量new_sockopt需要添加到nf_sockopts链表头,我们应当这样操作:
从这里我们看出,nf_sockopts链表中记录的并不是new_sockopt的地址,而是其中的list元素的地址。如何通过链表访问到new_sockopt呢?下面会有详细介绍。 b) 删除
当我们需要删除nf_sockopts链表中添加的new_sockopt项时,我们这么操作:
被剔除下来的new_sockopt.list,prev、next指针分别被设为LIST_POSITION2和LIST_POSITION1两个特殊值,这样设置是为了保证不在链表中的节点项不可访问--对LIST_POSITION1和LIST_POSITION2的访问都将引起页故障。与之相对应,list_del_init()函数将节点从链表中解下来之后,调用LIST_INIT_HEAD()将节点置为空链状态。 Linux提供了将原本属于一个链表的节点移动到另一个链表的操作,并根据插入到新链表的位置分为两类:
例如list_move(&new_sockopt.list,&nf_sockopts)会把new_sockopt从它所在的链表上删除,并将其再链入nf_sockopts的表头。 d,合并 除了针对节点的插入、删除操作,Linux链表还提供了整个链表的插入功能:
假设当前有两个链表,表头分别是list1和list2(都是struct list_head变量),当调用list_splice(&list1,&list2)时,只要list1非空,list1链表的内容将被挂接在list2链表上,位于list2和list2.next(原list2表的第一个节点)之间。新list2链表将以原list1表的第一个节点为首节点,而尾节点不变。如图(虚箭头为next指针): 图4 链表合并list_splice(&list1,&list2) ![]() 当list1被挂接到list2之后,作为原表头指针的list1的next、prev仍然指向原来的节点,为了避免引起混乱,Linux提供了一个list_splice_init()函数:
该函数在将list合并到head链表的基础上,调用INIT_LIST_HEAD(list)将list设置为空链。 3. 遍历 a) 由链表节点到数据项变量 我们知道,Linux链表中仅保存了数据项结构中list_head成员变量的地址,那么我们如何通过这个list_head成员访问到作为它的所有者的节点数据呢?Linux为此提供了一个list_entry(ptr,type,member)宏,其中ptr是指向该数据中list_head成员的指针,也就是存储在链表中的地址值,type是数据项的类型,member则是数据项类型定义中list_head成员的变量名,例如,我们要访问nf_sockopts链表中首个nf_sockopt_ops变量,则如此调用:
这里"list"正是nf_sockopt_ops结构中定义的用于链表操作的节点成员变量名。 list_entry的使用相当简单,相比之下,它的实现则有一些难懂:
size_t最终定义为unsigned int(i386)。 这里使用的是一个利用编译器技术的小技巧,即先求得结构成员在与结构中的偏移量,然后根据成员变量的地址反过来得出属主结构变量的地址。 container_of()和offsetof()并不仅用于链表操作,这里最有趣的地方是((type *)0)->member,它将0地址强制"转换"为type结构的指针,再访问到type结构中的member成员。在container_of宏中,它用来给typeof()提供参数(typeof()是gcc的扩展,和sizeof()类似),以获得member成员的数据类型;在offsetof()中,这个member成员的地址实际上就是type数据结构中member成员相对于结构变量的偏移量。 如果这么说还不好理解的话,不妨看看下面这张图: ![]() 对于给定一个结构,offsetof(type,member)是一个常量,list_entry()正是利用这个不变的偏移量来求得链表数据项的变量地址。 b) 遍历宏 在[net/core/netfilter.c]的nf_register_sockopt()函数中有这么一段话:
函数首先定义一个(struct list_head *)指针变量i,然后调用list_for_each(i,&nf_sockopts)进行遍历。在[include/linux/list.h]中,list_for_each()宏是这么定义的:
它实际上是一个for循环,利用传入的pos作为循环变量,从表头head开始,逐项向后(next方向)移动pos,直至又回到head(prefetch()可以不考虑,用于预取以提高遍历速度)。 那么在nf_register_sockopt()中实际上就是遍历nf_sockopts链表。为什么能直接将获得的list_head成员变量地址当成struct nf_sockopt_ops数据项变量的地址呢?我们注意到在struct nf_sockopt_ops结构中,list是其中的第一项成员,因此,它的地址也就是结构变量的地址。更规范的获得数据变量地址的用法应该是:
大多数情况下,遍历链表的时候都需要获得链表节点数据项,也就是说list_for_each()和list_entry()总是同时使用。对此Linux给出了一个list_for_each_entry()宏:
与list_for_each()不同,这里的pos是数据项结构指针类型,而不是(struct list_head *)。nf_register_sockopt()函数可以利用这个宏而设计得更简单:
某些应用需要反向遍历链表,Linux提供了list_for_each_prev()和list_for_each_entry_reverse()来完成这一操作,使用方法和上面介绍的list_for_each()、list_for_each_entry()完全相同。 如果遍历不是从链表头开始,而是从已知的某个节点pos开始,则可以使用list_for_each_entry_continue(pos,head,member)。有时还会出现这种需求,即经过一系列计算后,如果pos有值,则从pos开始遍历,如果没有,则从链表头开始,为此,Linux专门提供了一个list_prepare_entry(pos,head,member)宏,将它的返回值作为list_for_each_entry_continue()的pos参数,就可以满足这一要求。 4. 安全性考虑 a) list_empty()判断 基本的list_empty()仅以头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空,Linux链表另行提供了一个list_empty_careful()宏,它同时判断头指针的next和prev,仅当两者都指向自己时才返回真。这主要是为了应付另一个cpu正在处理同一个链表而造成next、prev不一致的情况。但代码注释也承认,这一安全保障能力有限:除非其他cpu的链表操作只有list_del_init(),否则仍然不能保证安全,也就是说,还是需要加锁保护。 b) 遍历时节点删除 前面介绍了用于链表遍历的几个宏,它们都是通过移动pos指针来达到遍历的目的。但如果遍历的操作中包含删除pos指针所指向的节点,pos指针的移动就会被中断,因为list_del(pos)将把pos的next、prev置成LIST_POSITION2和LIST_POSITION1的特殊值。 当然,调用者完全可以自己缓存next指针使遍历操作能够连贯起来,但为了编程的一致性,Linux链表仍然提供了两个对应于基本遍历操作的"_safe"接口:list_for_each_safe(pos, n, head)、list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member),它们要求调用者另外提供一个与pos同类型的指针n,在for循环中暂存pos下一个节点的地址,避免因pos节点被释放而造成的断链。 ![]() 精益求精的Linux链表设计者(因为list.h没有署名,所以很可能就是Linus Torvalds)认为双头(next、prev)的双链表对于HASH表来说"过于浪费",因而另行设计了一套用于HASH表应用的hlist数据结构--单指针表头双循环链表,从上图可以看出,hlist的表头仅有一个指向首节点的指针,而没有指向尾节点的指针,这样在可能是海量的HASH表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。 因为表头和节点的数据结构不同,插入操作如果发生在表头和首节点之间,以往的方法就行不通了:表头的first指针必须修改指向新插入的节点,却不能使用类似list_add()这样统一的描述。为此,hlist节点的prev不再是指向前一个节点的指针,而是指向前一个节点(可能是表头)中的next(对于表头则是first)指针(struct list_head **pprev),从而在表头插入的操作可以通过一致的"*(node->pprev)"访问和修改前驱节点的next(或first)指针。 2. read-copy update 我们知道,系统中数据读取操作远多于写操作,而rwlock机制在smp环境下随着处理机增多性能会迅速下降(见参考资料4)。针对这一应用背景,IBM Linux技术中心的Paul E. McKenney提出了"读拷贝更新"的技术,并将其应用于Linux内核中。RCU技术的核心是写操作分为写-更新两步,允许读操作在任何时候无阻访问,当系统有写操作时,更新动作一直延迟到对该数据的所有读操作完成为止。Linux链表中的RCU功能只是Linux RCU的很小一部分,对于RCU的实现分析已超出了本文所及,有兴趣的读者可以自行参阅本文的参考资料;而对RCU链表的使用和基本链表的使用方法基本相同。 五、 示例 为了简便,例子采用的是用户态程序模板,如果需要运行,可采用如下命令编译:
因为内核链表限制在内核态使用,但实际上对于数据结构本身而言并非只能在核态运行,因此,在笔者的编译中使用"-D__KERNEL__"开关"欺骗"编译器。
附件 |
联系客服