开发平台：基于虚拟机的Ubuntu 11.04

内核源码：linux-2.6.38.8.tar.bz2

目标平台：ARM体系结构

参考文献：《深入Linux内核架构》

关于散列表的概念可以参考博文《散列表的基本概念及其运算》。

1、PID散列表

PID散列表是在系统启动过程中通过pidhash_init函数（被start_kernel函数所调用）所创建的。

PID散列表实际上就是一个像struct hlist_head pid_hash[i]这样的数组，其中i的大小由alloc_large_system_hash函数所确定，最大取值为4096，最小值为16。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/kernel/pid.c */
  2. void __init pidhash_init(void)
  3. {
  4. int i, pidhash_size;
  5. pid_hash = alloc_large_system_hash("PID", sizeof(*pid_hash), 0, 18,
  6. HASH_EARLY | HASH_SMALL,
  7. &pidhash_shift, NULL, 4096);
  8. pidhash_size = 1 << pidhash_shift;
  9. for (i = 0; i < pidhash_size; i++)
  10. INIT_HLIST_HEAD(&pid_hash[i]);
  11. }

其中的alloc_large_system_hash函数能够根据机器物理内存的大小灵活地分配散列表的存储空间，以及改变pidhash_shift变量的默认值（默认值为4），从而确定pid_hash数组的大小（pidhash_size）。

最后，pidhash_init函数通过宏INIT_HLIST_HEAD把pid_hash数组的每个元素（struct hlist_head类型的变量）都初始化为空指针。

alloc_large_system_hash函数的实现比较复杂，没有时间也没有必要去分析它的每个语句，可以通过其中的打印语句来查看系统中的PID散列表到底有多大。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/mm/page_alloc.c */
  2. printk(KERN_INFO "%s hash table entries: %ld (order: %d, %lu bytes)\n",
  3. tablename,
  4. (1UL << log2qty),
  5. ilog2(size) - PAGE_SHIFT,
  6. size);

例如，在基于虚拟机的Ubuntu 11.04中，当它的物理内存为512MB时，PID散列表的表项为2048个；当把物理内存修改为1GB时，PID散列表的表项提升到最大值4096个。

[cpp] view plaincopy
  1. //512MB物理内存
  2. $ dmesg | grep "PID hash table entries"
  3. [    0.000000] PID hash table entries: 2048 (order: 1, 8192 bytes)
  4. //1GB物理内存
  5. $ dmesg | grep "PID hash table entries"
  6. [    0.000000] PID hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)

2、散列函数

PID散列表的散列函数为pid_hashfn，定义在linux-2.6.38.8/kernel/pid.c文件中。

[cpp] view plaincopy
  1. #define pid_hashfn(nr, ns)  \
  2. hash_long((unsigned long)nr + (unsigned long)ns, pidhash_shift)
  3. /* linux-2.6.38.8/include/linux/hash.h */
  4. #define hash_long(val, bits) hash_32(val, bits)
  5. #define GOLDEN_RATIO_PRIME_32 0x9e370001UL
  6. static inline u32 hash_32(u32 val, unsigned int bits)
  7. {
  8. /* On some cpus multiply is faster, on others gcc will do shifts */
  9. u32 hash = val * GOLDEN_RATIO_PRIME_32;
  10. /* High bits are more random, so use them. */
  11. return hash >> (32 - bits);
  12. }

散列函数pid_hashfn先使关键字（nr和ns的和）乘以0x9e370001UL，然后取乘积的低pidhash_shift位（即bit[0]到bit[pidhash_shift-1]）。例如，对于拥有2048个表项的PID散列表，散列函数pid_hashfn的返回值（取乘积的低11位）最终都会落在0到2047之间。

3、处理冲突

PID散列表采用链地址法来处理冲突。

4、PID散列表的运算函数

在介绍PID散列表的运算函数之前，先介绍一下相关的结构体。

struct pid是内核对PID的内部表示，而struct upid则表示特定的命名空间中可见的信息。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/pid.h */
  2. enum pid_type
  3. {
  4. PIDTYPE_PID,
  5. PIDTYPE_PGID,
  6. PIDTYPE_SID,
  7. PIDTYPE_MAX
  8. };
  9. struct upid {
  10. /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */
  11. int nr;
  12. struct pid_namespace *ns;
  13. struct hlist_node pid_chain;
  14. };
  15. struct pid
  16. {
  17. atomic_t count;
  18. unsigned int level;
  19. /* lists of tasks that use this pid */
  20. struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];
  21. struct rcu_head rcu;
  22. struct upid numbers[1];
  23. };

在struct upid中，nr表示ID（这里ID的类型有三种，定义在pid_type枚举中）的数值，ns是指向该ID所属命名空间的指针，所有的upid实例都通过pid_chain成员链接到pid_hash散列表中。

在struct pid中，count表示一个引用计数器，level表示该进程的命名空间在命名空间层次结构中的深度，而numbers是一个struct upid实例的数组，每个数组项（形式上只有一个数组项，但实际上可以根据需要进行扩展）都对应着一个命名空间。Tasks是共享此struct pid实例的所有进程的链表表头，其中的进程通过它的pids[type]成员来构建链接。在Linux内核中，通过attach_pid函数来建立它们之间的链接。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/pid.h */
  2. struct pid_link
  3. {
  4. struct hlist_node node;
  5. struct pid *pid;
  6. };
  7. /* linux-2.6.38.8/include/linux/sched.h */
  8. struct task_struct {
  9. ...
  10. struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
  11. ...
  12. }
  13. /* linux-2.6.38.8/kernel/pid.c */
  14. void attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type,
  15. struct pid *pid)
  16. {
  17. struct pid_link *link;
  18. link = &task->pids[type];
  19. link->pid = pid;
  20. hlist_add_head_rcu(&link->node, &pid->tasks[type]);
  21. }

以上所述各种结构体的关系如下图所示（图片修改自《professional linux kernel architecture》）：

在Linux内核中，使用过散列函数pid_hashfn的只有alloc_pid和find_pid_ns两个函数而已。

（1）、插入运算

alloc_pid函数用于创建struct pid结构体实例。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/kernel/pid.c */
  2. struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns)
  3. {
  4. struct pid *pid;
  5. enum pid_type type;
  6. int i, nr;
  7. struct pid_namespace *tmp;
  8. struct upid *upid;
  9. pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL);
  10. if (!pid)
  11. goto out;
  12. tmp = ns;
  13. for (i = ns->level; i >= 0; i--) {
  14. nr = alloc_pidmap(tmp);
  15. if (nr < 0)
  16. goto out_free;
  17. pid->numbers[i].nr = nr;
  18. pid->numbers[i].ns = tmp;
  19. tmp = tmp->parent;
  20. }
  21. get_pid_ns(ns);
  22. pid->level = ns->level;
  23. atomic_set(&pid->count, 1);
  24. for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type)
  25. INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]);
  26. upid = pid->numbers + ns->level;
  27. spin_lock_irq(&pidmap_lock);
  28. for ( ; upid >= pid->numbers; --upid)
  29. hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
  30. &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);
  31. spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
  32. out:
  33. return pid;
  34. out_free:
  35. while (++i <= ns->level)
  36. free_pidmap(pid->numbers + i);
  37. kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid);
  38. pid = NULL;
  39. goto out;
  40. }

起始于建立进程的命名空间，一直到初始的全局命名空间，内核会为其中的每个命名空间分别创建一个局部PID，并把它们（用struct upid表示）都添加到pid_hash散列表中。

（2）、查找运算

find_pid_ns函数根据PID和命名空间指针来查找相应的struct pid实例。

[cpp] view plaincopy
  1. /* linux-2.6.38.8/kernel/pid.c */
  2. struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
  3. {
  4. struct hlist_node *elem;
  5. struct upid *pnr;
  6. hlist_for_each_entry_rcu(pnr, elem,
  7. &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
  8. if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
  9. return container_of(pnr, struct pid,
  10. numbers[ns->level]);
  11. return NULL;
  12. }

其中，首先使用散列函数pid_hashfn确定所查找结点在散列表pid_hash中的表头，然后遍历表头所指向的链表，当nr和ns都匹配时，即找到了所需的struct upid结点，最后根据struct upid结点通过container_of宏获得包含它的struct pid实例。

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