一文带你了解。你不知道的Linux内核中的算法和数据结构。
测试方法准备
由于需要在内核中进行代码测试验证，完整编译安装内核比较耗时耗力。准备采用module形式来验证。
Makefile
obj-m:=linked-list.oKERNELBUILD:=/lib/modules/$(shell uname -r)/builddefault:make -C ${KERNELBUILD} M=$(shell pwd) modules
clean:rm -rf *.o *.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versionslinked-list.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/list.h>int linked_list_init(void)
{printk("%s\n", __func__);return 0;
}void linked_list_exit(void)
{printk("%s\n", __func__);
}module_init(linked_list_init);
module_exit(linked_list_exit);
MODULE_AUTHOR("Arnold Lu");
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Linked list test");安装module
sudo insmod linked-list.ko查找安装情况
lsmod | grep linked-list执行log
<4>[621267.946711] linked_list_init
<4>[621397.154534] linked_list_exit删除module
sudo rmmod linked-list链表、双向链表、无锁链表
Linked list, doubly linked list, lock-free linked list.链表是一种常用的组织有序数据的数据结构，它通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，是线性表的一种重要实现方式。相对于数组，链表具有更好的动态性，建立链表时无需预先知道数据总量，可以随机分配空间，可以高效地在链表中的任意位置实时插入或删除数据。链表的开销主要是访问的顺序性和组织链的空间损失。
通常链表数据结构至少应包含两个域：数据域和指针域，数据域用于存储数据，指针域用于建立与下一个节点的联系。按照指针域的组织以及各个节点之间的联系形式，链表又可以分为单链表、双链表、循环链表等多种类型.
通过设计前驱和后继两个指针域，双链表可以从两个方向遍历，这是它区别于单链表的地方。如果打乱前驱、后继的依赖关系，就可以构成"二叉树"；如果再让首节点的前驱指向链表尾节点、尾节点的后继指向首节点（如图2中虚线部分），就构成了循环链表；如果设计更多的指针域，就可以构成各种复杂的树状数据结构。
循环链表的特点是尾节点的后继指向首节点。前面已经给出了双循环链表的示意图，它的特点是从任意一个节点出发，沿两个方向的任何一个，都能找到链表中的任意一个数据。如果去掉前驱指针，就是单循环链表。
资料直通车：Linux内核源码技术学习路线+视频教程内核源码
学习直通车：Linux内核源码内存调优文件系统进程管理设备驱动/网络协议栈
Simple doubly linked list
数据结构：
struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};声明和初始化：
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
在表头插入和在表尾插入：
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
static inline void list_add_tail(struct list_head *entry, struct list_head *head)
删除，被删除的节点prev、next分别被设为LIST_POISON2、LIST_POISON1，当访问此节点时会引起叶故障。保证不在链表中的节点项不可访问。
static inline void list_del(struct list_head *entry)
static inline void list_del_init(struct list_head *entry) 将entry从链表解下来，重新初始化，就可以访问节点。
将节点从一个链表搬移到另一个链表，根据插入表头和表位分两种：
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
static inline void list_move_tail(struct list_head *list, struct list_head *head)
用新节点替换纠结点：
static inline void list_replace(struct list_head *old, struct list_head *new)
将list插入到head：
static inline void list_splice(const struct list_head *list, struct list_head *head)
static inline void list_splice_tail(struct list_head *list, struct list_head *head)
static inline void list_splice_init(struct list_head *list, struct list_head *head) 将list设为空链表
static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list, struct list_head *head) 将list设为空链表
static inline void list_cut_position(struct list_head *list, struct list_head *head, struct list_head *entry)
遍历宏：
list_entry(ptr, type, member)
list_first_entry(ptr, type, member)
list_last_entry(ptr, type, member)
list_next_entry(pos, member)
list_prev_entry(pos, member)
list_for_each(pos, head)
list_for_each_prev(pos, head) 反向操作
list_for_each_safe(pos, n, head) 安全操作
list_for_each_entry(pos, head, member) 遍历链表是获取链表节点
list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member) 安全操作
list_for_each_entry_reverse(pos, head, member) 反向操作
判断链表是否为空：
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
Doubly linked list with a single pointer list head
linux内核里边除了著名的list双向循环链表以外，还有一个重要的数据结构，就是哈希链表。哈希链表也在很多重要的地方有所使用，比如linux内核的dentry，进程查询，文件系统等，可以说，弄明白hlist对于理解linux内核具有重要的意义。
struct hlist_head {struct hlist_node *first;
};struct hlist_node {struct hlist_node *next, **pprev;
};linux内核的hash链表有两个数据结构组成，一个是hlist_head是hash表的表头，一个是hlist_node是hash标的后续节点。
在使用的时候，一般定义一个struct hlist_head xxx[100]数组（100只是一个代表的数字，视具体情况而定），采取哈希函数来将键值与数组的对应的地址联系起来，如果出现冲突的话，就在hlist_head的后边继续添加。 hlist_head的成员first指针指向后续的第一个节点，如果哈希链表是空的话，就为NULL。
为什么hlist_head不弄成双向链表呢，因为为了节约空间，如果一个指针的话，一个哈希数组的空间消耗就会减半。
hlist_node的成员next指向后续的节点的地址，如果为空就是NULL，另一个成员pprev是二级指针，指向前一个节点的next成员的地址，如果前一个成员是hlist_head的话，pprev的值就是前一个的first指针的地址。
#define HLIST_HEAD(name) struct hlist_head name = { .first = NULL } 定义并且初始化。
#define INIT_HLIST_HEAD(ptr) ((ptr)->first = NULL) 在定义之后，需要初始化，不然使用会导致错误。
static inline void INIT_HLIST_NODE(struct hlist_node *h) 初始化node节点
static inline int hlist_empty(const struct hlist_head *h) 判断hash链表是否为空
static inline void hlist_del(struct hlist_node *n) 删除节点，并且将节点next、pprev指针修改为LIST_POSITION1和LIST_POSITION2。
static inline void hlist_del_init(struct hlist_node *n) 此种方法更安全，删除然后再初始化节点。
static inline void hlist_add_head(struct hlist_node *n, struct hlist_head *h) 将节点插入到hash链表的头结点后边。
static inline void hlist_add_before(struct hlist_node *n, struct hlist_node *next) 将一个节点插入到next前面。
static inline void hlist_add_behind(struct hlist_node *n, struct hlist_node *prev) 将一个节点插入到prev后面。
遍历访问节点： hlist_for_each(pos, head) hlist_for_each_safe(pos, n, head) #define hlist_entry(ptr, type, member) container_of(ptr,type,member) hlist_entry_safe(ptr, type, member) hlist_for_each_entry(pos, head, member) hlist_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)
Lock-less NULL terminated single linked list
数据结构如下：
struct llist_head {struct llist_node *first;
};struct llist_node {struct llist_node *next;
};#define LLIST_HEAD(name) struct llist_head name = LLIST_HEAD_INIT(name)
static inline void init_llist_head(struct llist_head *list) llist_entry(ptr, type, member) llist_for_each(pos, node)
static inline bool llist_empty(const struct llist_head *head)
static inline struct llist_node *llist_next(struct llist_node *node)
static inline bool llist_add(struct llist_node *new, struct llist_head *head) bool llist_add_batch(struct llist_node *new_first, struct llist_node *new_last, struct
llist_head *head) static inline struct llist_node *llist_del_all(struct llist_head *head)
struct llist_node *llist_del_first(struct llist_head *head)
llist_add、llist_add_batch、llist_del_first都是基于cmpxchg原子操作来实现，整个操作是原子的；llist_del_all是基于xchg来实现的。
cmpxchg(void* ptr, int old, int new)，如果ptr和old的值一样，则把new写到ptr内存，否则返回ptr的值，整个操作是原子的。在Intel平台下，会用lock cmpxchg来实现，这里的lock个人理解是锁住内存总线，这样如果有另一个线程想访问ptr的内存，就会被block住。
B+树
A relatively simple B+Tree implementation. I have written it as a learning exercise to understand how
B+Trees work. Turned out to be useful as well. ... A tricks was used that is not commonly found in textbooks. The lowest values are to the right, not to the left.
All used slots within a node are on the left, all unused slots contain NUL values. Most operations
simply loop once over all slots and terminate on the first NUL.
B树诞生的背景：
在大规模数据存储中，实现索引查询这样一个实际背景下，树节点存储的元素数量是有限的，这样就会导致二叉树结构由于树的深度过大而造成磁盘I/O读写过于频繁，进而导致查询效率低下。 那么如何减少树的深度，一个基本的想法是采用多叉树结构。 因为磁盘的操作费时费资源，那么如何提高效率，即如何避免频繁的读取呢？根据磁盘查找存取的次数往往由树的高度决定，所以只要通过较好的结构降低树的高度。根据平衡二叉树的启发，自然就想到平衡多叉树结构。
几个算法时间复杂度度量：
O(n) 表示某函数值(未列出)是 n 的常数倍；亦即他们增长的速度相当.称 大O,big O (发音 "欧" 英文字母 O ) 同理:O(logN):是 logN 的常数倍；O(nlogn):是 nlogn 的常数倍
优先排序列表
plist有两个重要结构体struct plist_head和struct plist_node，分别用来表示plist表头和plist节点。
struct plist_head {struct list_head node_list;
}；struct plist_node {int prio;struct list_head prio_list;struct list_head node_list;
};相关函数：
PLIST_HEAD(head) 初始化plist表头
PLIST_NODE_INIT(node, __prio) 初始化plist节点
static inline void plist_head_init(struct plist_head *head) 初始化plist表头
static inline void plist_node_init(struct plist_node *node, int prio) 初始化plist节点
添加节点、删除节点：
extern void plist_add(struct plist_node *node, struct plist_head *head); 通过plist_add添加到head的node是按照prio优先级由高到低顺序在node_list上排列。
extern void plist_del(struct plist_node *node, struct plist_head *head);
extern void plist_requeue(struct plist_node *node, struct plist_head *head); 是plist_del的优化版本
遍历plist：
plist_for_each(pos, head)
判断head是否为空：
static inline int plist_head_empty(const struct plist_head *head)
判断当前node是否在node_list上：
static inline int plist_node_empty(const struct plist_node *node)
获取前一、后一节点：
plist_next(pos)
plist_prev(pos)
获取首节点、尾节点：
static inline struct plist_node *plist_first(const struct plist_head *head)
static inline struct plist_node *plist_last(const struct plist_head *head)
下面是对plist进行的一些验证：
static dump_list(void)
{struct plist_node *node_pos, *first_node, *last_node;int i;printk(KERN_DEBUG "%s start\n", __func__);printk("node_list: ");list_for_each_entry(node_pos, &test_head.node_list, node_list) {printk("%d ", node_pos->prio);}printk("\n");first_node = plist_first(&test_head);last_node = plist_last(&test_head);printk("prio_list: %d ", first_node->prio);list_for_each_entry(node_pos, &first_node->prio_list, prio_list) {printk("%d ", node_pos->prio);}printk("\n");#if 0for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(test_node); i++) {if(!plist_node_empty(test_node+i))printk(KERN_DEBUG "(test_node+%d)->prio=%d\n", i, (test_node+i)->prio);}
#endifprintk(KERN_DEBUG "MIN(prio)=%d MAX(prio)=%d\n", first_node->prio, last_node->prio);printk(KERN_DEBUG "%s end\n", __func__);
}static int __init plist_test(void)
{int nr_expect = 0, i, loop;unsigned int r = local_clock();printk(KERN_DEBUG "start plist test\n");plist_head_init(&test_head);for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(test_node); i++)plist_node_init(test_node + i, 0);for (loop = 0; loop < 10; loop++) {r = r * 193939 % 47629;i = r % ARRAY_SIZE(test_node);if (plist_node_empty(test_node + i)) {r = r * 193939 % 47629;test_node[i].prio = r % 10;plist_add(test_node + i, &test_head);nr_expect++;} else {plist_del(test_node + i, &test_head);nr_expect--;}plist_test_check(nr_expect);if (!plist_node_empty(test_node + i)) {plist_test_requeue(test_node + i);plist_test_check(nr_expect);}}dump_list();for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(test_node); i++) {if (plist_node_empty(test_node + i))continue;plist_del(test_node + i, &test_head);nr_expect--;plist_test_check(nr_expect);}printk(KERN_DEBUG "end plist test\n");return 0;
}通过初始化不超过10个node节点，优先级为0-9。然后查看node_list和prio_list两链表的节点情况：
[22050.404475] start plist test
[22050.404481] dump_list start
[22050.404482] node_list: 0 0 1 1 2 6 8 8 9 9
[22050.404486] prio_list: 0 1 2 6 8 9
[22050.404488] MIN(prio)=0 MAX(prio)=9
[22050.404489] dump_list end
[22050.404491] end plist test
[22050.947810] start plist test
[22050.947816] dump_list start
[22050.947817] node_list: 0 1 1 2 2 3 3 3 8 8
[22050.947820] prio_list: 0 1 2 3 8
[22050.947822] MIN(prio)=0 MAX(prio)=8
[22050.947823] dump_list end
[22050.947825] end plist test
[22051.491245] start plist test
[22051.491254] dump_list start
[22051.491256] node_list: 0 1 2 3 3 3 6 9 9 9
[22051.491262] prio_list: 0 1 2 3 6 9
[22051.491266] MIN(prio)=0 MAX(prio)=9
[22051.491267] dump_list end
[22051.491271] end plist test
可以看出node_list上的节点按照优先级由高到低排序，优先级可能会重复；在prio_list上是不同优先级的节点。如下所示：
* pl:prio_list (only for plist_node)
* nl:node_list *HEAD| NODE(S)
* | * ||------------------------------------|
* ||->|pl|<->|pl|<--------------->|pl|<-|
* | |10| |21| |21| |21| |40| (prio)
* | | | | | | | | | | |
* | | | | | | | | | | |
* | ->|nl|<->|nl|<->|nl|<->|nl|<->|nl|<->|nl|<-|
* |-------------------------------------------------|
红黑树
Red-Black treesareusedfor scheduling, virtual memory management, to track file descriptors and directory entries,etc.
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