linux内核hlist分析

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我是靠谱客的博主单纯火龙果，最近开发中收集的这篇文章主要介绍linux内核hlist分析，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

在Linux内核中，hlist（哈希链表）使用非常广泛。本文将对其数据结构和核心函数进行分析。

和hlist相关的数据结构有两个（1）hlist_head (2)hlist_node

 struct hlist_head {
         struct hlist_node *first;
 };
 
 struct hlist_node {
         struct hlist_node *next, **pprev;
 };

顾名思义， hlist_head表示哈希表的头结点。哈希表中每一个entry(hlist_head)所对应的都是一个链表（hlist)，该链表的结点由hlist_node表示。

hlist_head结构体只有一个域，即first。 first指针指向该hlist链表的第一个节点。

hlist_node结构体有两个域，next 和pprev。 next指针很容易理解，它指向下个hlist_node结点，倘若该节点是链表的最后一个节点，next指向NULL。

pprev是一个二级指针，它指向前一个节点的next指针。为什么我们需要这样一个指针呢？它的好处是什么？

在回答这个问题之前，我们先研究另一个问题：为什么散列表的实现需要两个不同的数据结构？

散列表的目的是为了方便快速的查找，所以散列表通常是一个比较大的数组，否则“冲突”的概率会非常大，这样也就失去了散列表的意义。如何做到既能维护一张大表，又能不使用过多的内存呢？就只能从数据结构上下功夫了。所以对于散列表的每个entry，它的结构体中只存放一个指针，解决了占用空间的问题。现在又出现了另一个问题：数据结构不一致。显然，如果hlist_node采用传统的next,prev指针，对于第一个节点和后面其他节点的处理会不一致。这样并不优雅，而且效率上也有损失。

hlist_node巧妙地将pprev指向上一个节点的next指针的地址，由于hlist_head和hlist_node指向的下一个节点的指针类型相同，这样就解决了通用性！

下面我们再来看一看hlist_node这样设计之后，插入删除这些基本操作会有什么不一样。

static inline void __hlist_del(struct hlist_node *n)
{
        struct hlist_node *next = n->next;
        struct hlist_node **pprev = n->pprev;
        *pprev = next;
        if (next)
                next->pprev = pprev;
}

__hlist_del用于删除节点n。

首先获取n的下一个节点next， n->pprev指向n的前一个节点的next指针的地址，这样×pprev就代表n前一个节点的下一个节点（现在即n本身），第三行代码*pprev=next;就将n的前一个节点和下一个节点关联起来了。至此，n节点的前一个节点的关联工作就完成了，现在再来完成下一个节点的关联工作。如果n是链表的最后一个节点，那么n->next即为空，则无需任何操作，否则，next->pprev = pprev。

给链表增加一个节点需要考虑两个条件：(1)是否为链表的首个节点(2)普通节点。

static inline void hlist_add_head(struct hlist_node *n, struct hlist_head *h)
 {
         struct hlist_node *first = h->first;
         n->next = first;
         if (first)
                 first->pprev = &n->next;
         h->first = n;
         n->pprev = &h->first;
 }

首先讨论条件（1）。

first = h->first; 获取当前链表的首个节点；

n->next = fist; 将n作为链表的首个节点，让first往后靠；

先来看最后一行 n->pprev - &h->first; 将n的pprev指向hlist_head的first指针，至此关于节点n的关联工作就做完了。

再来看倒数第二行 h->first = n; 将节点h的关联工作做完；

最后我们再来看原先的第一个节点的关联工作，对于它来说，仅仅需要更新一下pprev的关联信息： first->pprev = &n->next;

接下来讨论条件（2）。这里也包括两种情况：a)插在当前节点的前面b)插在当前节点的后面

/* next must be != NULL */
 static inline void hlist_add_before(struct hlist_node *n,
                                         struct hlist_node *next)
 {
         n->pprev = next->pprev;
         n->next = next;
         next->pprev = &n->next;
         *(n->pprev) = n;
 }

先讨论情况a) 将节点n 插到next之前（n是新插入的节点)

还是一个一个节点的搞定（一共三个节点），先搞定节点n

n->pprev = next->prev; 将 next 的pprev 赋值给n->pprev n取代next的位置

n->next = next; 将next作为n的下一个节点，至此节点n的关联动作完成。

next->pprev = &n->next; next的关联动作完成。

*(n->pprev) = n; n->pprev表示n的前一个节点的next指针； *(n->pprev)则表示n的前一个节点next指针所指向下一个节点的内容，这里将n赋值给它，正好完成它的关联工作。

static inline void hlist_add_after(struct hlist_node *n,
                                         struct hlist_node *next)
 {
         next->next = n->next;
         n->next = next;
         next->pprev = &n->next;
 
         if(next->next)
                 next->next->pprev  = &next->next;
 }

再来看情况b) 将结点next插入到n之后 (next是新插入的节点）

具体步骤就不分析了。应该也很容易。

下面我还要介绍一个函数：

static inline int hlist_unhashed(const struct hlist_node *h)
 {
         return !h->pprev;
 }

这个函数的目的是判断该节点是否已经存在hash表中。这里处理得很巧妙。判断前一个节点的next指向的地址是否为空。

最后我们看一个具体的例子，Linux内核是如何管理pid的。（正好和上一篇介绍pid的文章相呼应：））基于内核3.0.3

内核初始化时要调用pidhash_init（）创建哈希表。该函数会在 start_kernel()函数里被调用(init/main.c Line 509)

void __init pidhash_init(void)
 {
         int i, pidhash_size;
 
         pid_hash = alloc_large_system_hash("PID", sizeof(*pid_hash), 0, 18,
                                            HASH_EARLY | HASH_SMALL,
                                            &pidhash_shift, NULL, 4096);
         pidhash_size = 1 << pidhash_shift;
 
         for (i = 0; i < pidhash_size; i++)
                 INIT_HLIST_HEAD(&pid_hash[i]);
 }

从这个函数可以看到内核会在slab上分配一个大小为pidhash_size的数组，然后为每一个entry进行初始化（INIT_HLIST_HEAD)

在alloc_pid函数里

struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
 {
         struct pid *pid;
         enum pid_type type;
         int i, nr;
         struct pid_namespace *tmp;
         struct upid *upid;
 
         pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);  /×在slab上分配pid结构体×/
         if (!pid)
                 goto out;
 
         tmp = ns;
         for (i = ns->level; i >= 0; i--) {       /×虽然这里是for循环，实际只会运行一次，因为现在只支持global namespace即ns->level=0×/
                 nr = alloc_pidmap(tmp);          /×在各级pid_namespace上寻找并分配pid的值×/
                 if (nr < 0)
                         goto out_free;
 
                 pid->numbers[i].nr = nr;
                 pid->numbers[i].ns = tmp;
                 tmp = tmp->parent;
         }
 
         get_pid_ns(ns);
         pid->level = ns->level;
         atomic_set(&pid->count, 1);
         for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
                 INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);   
 
         upid = pid->numbers + ns->level;
         spin_lock_irq(&pidmap_lock);
         for ( ; upid >= pid->numbers; --upid)
                 hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
                                 &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);   /×将各级namespace中的upid插入pidhash的哈希表里×/
         spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
 
 out:
         return pid;
 
 out_free:
         while (++i <= ns->level)
                 free_pidmap(pid->numbers + i);
 
         kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
         pid = NULL;
         goto out;
 }

注：

（1）本文中如果发现任何错误请帮我指出。非常感谢！

（2）欢迎和大家进行交流。

（3）本文系原创，如需转载请标明出处。