Linux內(nèi)核代碼中廣泛使用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，其中最常用的兩個(gè)是鏈表和紅黑樹。

鏈表

Linux內(nèi)核代碼大量使用了鏈表這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。鏈表是在解決數(shù)組不能動(dòng)態(tài)擴(kuò)展這個(gè)缺陷而產(chǎn)生的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。鏈表所包含的元素可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建并插入和刪除。鏈表的每個(gè)元素都是離散存放的，因此不需要占用連續(xù)的內(nèi)存。鏈表通常由若干節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)都是一樣的，由有效數(shù)據(jù)區(qū)和指針區(qū)兩部分組成。有效數(shù)據(jù)區(qū)用來存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)信息，而指針區(qū)用來指向鏈表的前繼節(jié)點(diǎn)或者后繼節(jié)點(diǎn)。因此，鏈表就是利用指針將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來的一種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

（1）單向鏈表

單向鏈表的指針區(qū)只包含一個(gè)指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針，因此會(huì)形成一個(gè)單一方向的鏈表，如下代碼所示。

如圖所示，單向鏈表具有單向移動(dòng)性，也就是只能訪問當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，而無法訪問當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前繼節(jié)點(diǎn)，因此在實(shí)際項(xiàng)目中運(yùn)用得比較少。

單向鏈表示意圖

（2）雙向鏈表

如圖所示，雙向鏈表和單向鏈表的區(qū)別是指針區(qū)包含了兩個(gè)指針，一個(gè)指向前繼節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)指向后繼節(jié)點(diǎn)，如下代碼所示。

雙向鏈表示意圖

（3）Linux內(nèi)核鏈表實(shí)現(xiàn)

單向鏈表和雙向鏈表在實(shí)際使用中有一些局限性，如數(shù)據(jù)區(qū)必須是固定數(shù)據(jù)，而實(shí)際需求是多種多樣的。這種方法無法構(gòu)建一套通用的鏈表，因?yàn)槊總€(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)需要一套鏈表。為此，Linux內(nèi)核把所有鏈表操作方法的共同部分提取出來，把不同的部分留給代碼編程者自己去處理。Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一套純鏈表的封裝，鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有指針區(qū)而沒有數(shù)據(jù)區(qū)，另外還封裝了各種操作函數(shù)，如創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)函數(shù)、插入節(jié)點(diǎn)函數(shù)、刪除節(jié)點(diǎn)函數(shù)、遍歷節(jié)點(diǎn)函數(shù)等。

Linux內(nèi)核鏈表使用struct list_head數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。

struct list_head數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不包含鏈表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)區(qū)，通常是嵌入其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如struct page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中嵌入了一個(gè)lru鏈表節(jié)點(diǎn)，通常是把page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)掛入LRU鏈表。

鏈表頭的初始化有兩種方法，一種是靜態(tài)初始化，另一種動(dòng)態(tài)初始化。

把next和prev指針都初始化并指向自己，這樣便初始化了一個(gè)帶頭節(jié)點(diǎn)的空鏈表。

添加節(jié)點(diǎn)到一個(gè)鏈表中，內(nèi)核提供了幾個(gè)接口函數(shù)，如list_add()是把一個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到表頭，list_add_tail()是插入表尾。

遍歷節(jié)點(diǎn)的接口函數(shù)。

這個(gè)宏只是遍歷一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置，那么如何獲取節(jié)點(diǎn)本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢？這里還需要使用list_entry()宏。

其中offsetof()宏是通過把0地址轉(zhuǎn)換為type類型的指針，然后去獲取該結(jié)構(gòu)體中member成員的指針，也就是獲取了member在type結(jié)構(gòu)體中的偏移量。最后用指針ptr減去offset，就得到type結(jié)構(gòu)體的真實(shí)地址了。

下面是遍歷鏈表的一個(gè)例子。

紅黑樹

紅黑樹（Red Black Tree）被廣泛應(yīng)用在內(nèi)核的內(nèi)存管理和進(jìn)程調(diào)度中，用于將排序的元素組織到樹中。紅黑樹被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中，它在速度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間提供一個(gè)很好的平衡。

紅黑樹是具有以下特征的二叉樹。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)或紅或黑。

• 每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)是黑色的。
• 如果結(jié)點(diǎn)都是紅色，那么兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)都是黑色。
• 從一個(gè)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)的簡單路徑上，對(duì)所有葉節(jié)點(diǎn)來說，黑色結(jié)點(diǎn)的數(shù)目都是相同的。

紅黑樹的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，所有重要的操作（例如插入、刪除、搜索）都可以在O(log n)時(shí)間內(nèi)完成，n為樹中元素的數(shù)目。經(jīng)典的算法教科書都會(huì)講解紅黑樹的實(shí)現(xiàn)，這里只是列出一個(gè)內(nèi)核中使用紅黑樹的例子，供讀者在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)和內(nèi)核編程中參考。這個(gè)例子可以在內(nèi)核代碼的documentation/Rbtree.txt文件中找到。

mytree是紅黑樹的根節(jié)點(diǎn)，my_insert()實(shí)現(xiàn)插入一個(gè)元素到紅黑樹中，my_search()根據(jù)key來查找節(jié)點(diǎn)。內(nèi)核大量使用紅黑樹，如虛擬地址空間VMA的管理。

無鎖環(huán)形緩沖區(qū)

生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型是計(jì)算機(jī)編程中最常見的一種模型。生產(chǎn)者產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而消費(fèi)者消耗數(shù)據(jù)，如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，硬件設(shè)備接收網(wǎng)絡(luò)包，然后應(yīng)用程序讀取網(wǎng)絡(luò)包。環(huán)形緩沖區(qū)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型的經(jīng)典算法。環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個(gè)讀指針和一個(gè)寫指針。讀指針指向環(huán)形緩沖區(qū)中可讀的數(shù)據(jù)，寫指針指向環(huán)形緩沖區(qū)可寫的數(shù)據(jù)。通過移動(dòng)讀指針和寫指針實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

在Linux內(nèi)核中，KFIFO是采用無鎖環(huán)形緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)。FIFO的全稱是“First In First Out”，即先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它采用環(huán)形緩沖區(qū)的方法來實(shí)現(xiàn)，并提供一個(gè)無邊界的字節(jié)流服務(wù)。采用環(huán)形緩沖區(qū)的好處是，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)元素被消耗之后，其余數(shù)據(jù)元素不需要移動(dòng)其存儲(chǔ)位置，從而減少復(fù)制，提高效率。

（1）創(chuàng)建KFIFO

在使用KFIFO之前需要進(jìn)行初始化，這里有靜態(tài)初始化和動(dòng)態(tài)初始化兩種方式。

該函數(shù)創(chuàng)建并分配一個(gè)大小為size的KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)。第一個(gè)參數(shù)fifo是指向該環(huán)形緩沖區(qū)的struct kfifo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第二個(gè)參數(shù)size是指定緩沖區(qū)元素的數(shù)量；第三個(gè)參數(shù)gfp_mask表示分配KFIFO元素使用的分配掩碼。

靜態(tài)分配可以使用如下的宏。

（2）入列

把數(shù)據(jù)寫入KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)可以使用kfifo_in()函數(shù)接口。

該函數(shù)把buf指針指向的n個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制到KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)中。第一個(gè)參數(shù)fifo指的是KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)；第二個(gè)參數(shù)buf指向要復(fù)制的數(shù)據(jù)的buffer；第三個(gè)數(shù)據(jù)是要復(fù)制數(shù)據(jù)元素的數(shù)量。

（3）出列

從KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)中列出或者摘取數(shù)據(jù)可以使用kfifo_out()函數(shù)接口。

該函數(shù)是從fifo指向的環(huán)形緩沖區(qū)中復(fù)制n個(gè)數(shù)據(jù)元素到buf指向的緩沖區(qū)中。如果KFIFO環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)元素小于n個(gè)，那么復(fù)制出去的數(shù)據(jù)元素小于n個(gè)。

（4）獲取緩沖區(qū)大小

KFIFO提供了幾個(gè)接口函數(shù)來查詢環(huán)形緩沖區(qū)的狀態(tài)。

kfifo_size()用來獲取環(huán)形緩沖區(qū)的大小，也就是最大可以容納多少個(gè)數(shù)據(jù)元素。kfifo_len()用來獲取當(dāng)前環(huán)形緩沖區(qū)中有多少個(gè)有效數(shù)據(jù)元素。kfifo_is_empty()判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否為空。kfifo_is_full()判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否為滿。

（5）與用戶空間數(shù)據(jù)交互

KFIFO還封裝了兩個(gè)函數(shù)與用戶空間數(shù)據(jù)交互。

kfifo_from_user()是把from指向的用戶空間的len個(gè)數(shù)據(jù)元素復(fù)制到KFIFO中，最后一個(gè)參數(shù)copied表示成功復(fù)制了幾個(gè)數(shù)據(jù)元素。

kfifo_to_user()則相反，把KFIFO的數(shù)據(jù)元素復(fù)制到用戶空間。這兩個(gè)宏結(jié)合了copy_to_user()、copy_from_user()以及KFIFO的機(jī)制，給驅(qū)動(dòng)開發(fā)者提供了方便。