linux内核设计与实现（第六章）----内核数据结构

作为一个合格的linux驱动工程师，在查看linux内核代码中，发现内核数据结构贯穿于整个内核代码。

在这里介绍4种最基本的数据结构，可以在内核代码编写中节约大量的时间。

主要内容：

1. 链表
2. 队列
3. 映射

1 链表

链表是linux内核中最简单的，同时也是使用最广泛的数据结构，内核中使用的是一种双向链表。

1.1头文件简介

内核中关于链表定义的代码位于： include/linux/list.h

list.h文件中对每个函数都有注释，这里就不详细说了。

其实刚开始只要先了解一个常用的链表操作（追加，删除，遍历）的实现方法，

其他方法基本都是基于这些常用操作的。

1.2 链表代码的注意点

在阅读list.h文件之前，有一点必须注意：linux内核中的链表使用方法和一般数据结构中定义的链表是有所不同的。

一般的双向链表一般是如下的结构，

• 有个单独的头结点(head)
• 每个节点(node)除了包含必要的数据之外，还有2个指针(pre,next)
• pre指针指向前一个节点(node)，next指针指向后一个节点(node)
• 头结点(head)的pre指针指向链表的最后一个节点
• 最后一个节点的next指针指向头结点(head)

具体见下图：

传统的链表有个最大的缺点就是不好共通化，因为每个node中的data1，data2等等都是不确定的(无论是个数还是类型)。

linux中的链表巧妙的解决了这个问题，linux的链表不是将用户数据保存在链表节点中，而是将链表节点保存在用户数据中。

linux的链表节点只有2个指针(pre和next)，这样的话，链表的节点将独立于用户数据之外，便于实现链表的共同操作。

 

具体见下图：

linux链表中的最大问题是怎样通过链表的节点来取得用户数据？

和传统的链表不同，linux的链表节点(node)中没有包含用户的用户data1，data2等。

 

整个list.h文件中，我觉得最复杂的代码就是获取用户数据的宏定义

#define list_entry(ptr, type, member) \    container_of(ptr, type, member)

这个宏没什么特别的，主要是container_of这个宏

#define container_of(ptr, type, member) ({          \    const typeof(((type *)0)->member)*__mptr = (ptr);    \             (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })

这里面的type一般是个结构体，也就是包含用户数据和链表节点的结构体。

ptr是指向type中链表节点的指针

member则是type中定义链表节点是用的名字

比如

struct student{    int id;    char* name;    struct list_head list;};

• type是struct student
• ptr是指向stuct list的指针，也就是指向member类型的指针
• member就是 list

下面分析一下container_of宏:

复制代码// 步骤1：将数字0强制转型为type*，然后取得其中的member元素((type *)0)->member  // 相当于((struct student *)0)->list// 步骤2：定义一个临时变量__mptr，并将其也指向ptr所指向的链表节点const typeof(((type *)0)->member)*__mptr = (ptr);// 步骤3：计算member字段距离type中第一个字段的距离，也就是type地址和member地址之间的差// offset(type, member)也是一个宏，定义如下：#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)// 步骤4：将__mptr的地址 - type地址和member地址之间的差// 其实也就是获取type的地址

步骤1，2，4比较容易理解，下面的图以sturct student为例进行说明步骤3：

首先需要知道 ((TYPE *)0) 表示将地址0转换为 TYPE 类型的地址

由于TYPE的地址是0，所以((TYPE *)0)->MEMBER 也就是 MEMBER的地址和TYPE地址的差，如下图所示：

1.3 使用示例

构造一个内核模块使用内核链表，代码在ubuntu中运行。

c代码：

#include <linux/init.h>#include <linux/slab.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/list.h>MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");struct student{int id;char *name;struct list_head list;};void print_student(struct student *stu){printk("=================\n");printk("id = %d\n",stu->id);printk("name = %s\n",stu->name);printk("=================\n");}static int testlist_init(void){struct student *stu1,*stu2,*stu3,*stu4;struct student *stu;LIST_HEAD(stu_head);stu1 = kmalloc(sizeof(*stu1),GFP_KERNEL);stu1->id = 1;stu1->name = "laoyl";INIT_LIST_HEAD(&stu1->list);stu2 = kmalloc(sizeof(*stu2),GFP_KERNEL);stu2->id = 2;stu2->name = "laoyl2";INIT_LIST_HEAD(&stu2->list);stu3 = kmalloc(sizeof(*stu3),GFP_KERNEL);stu3->id = 3;stu3->name = "laoyl3";INIT_LIST_HEAD(&stu3->list);stu4 = kmalloc(sizeof(*stu4),GFP_KERNEL);stu4->id = 4;stu4->name = "laoyl4";INIT_LIST_HEAD(&stu4->list);list_add(&stu1->list,&stu_head);list_add(&stu2->list,&stu_head);list_add(&stu3->list,&stu_head);list_add(&stu4->list,&stu_head);list_for_each_entry(stu,&stu_head,list){print_student(stu);}list_for_each_entry_reverse(stu,&stu_head,list){print_student(stu);}list_del(&stu2->list);list_for_each_entry(stu,&stu_head,list){print_student(stu);}//list_replace(&stu3->list,&stu2->list);list_add_tail(&stu2->list,&stu_head);list_for_each_entry(stu,&stu_head,list){print_student(stu);}return 0;}static void testlist_exit(void){printk("******************\n");printk("testlist is exited\n");printk("******************\n");}module_init(testlist_init);module_exit(testlist_exit);

Makefile：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m := list.oelseLINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)KDIR := /lib/modules/$(LINUX_KERNEL)/buildall:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules clean:rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symversendif

2 队列

内核中的队列是以字节形式保存数据的，所以获取数据的时候，需要知道数据的大小。

如果从队列中取得数据时指定的大小不对的话，取得数据会不完整或过大。

2.1 头文件简介

内核中关于队列定义的头文件位于：<linux/kfifo.h> include/linux/kfifo.h

头文件中定义的函数的实现位于：kernel/kfifo.c

2.2 队列代码的注意点

内核队列编程需要注意的是：

• 队列的size在初始化时，始终设定为2的n次方
• 使用队列之前将队列结构体中的锁(spinlock)释放

2.3 使用示例

构造一个内核模块使用内核队列，代码在ubuntu中运行。

c代码：

#include "kn_common.h"MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");struct student{int id;char *name;};static void print_student(struct student*);static int testkfifo_init(void){struct kfifo fifo;struct student *stu1,*stu2,*stu3,*stu4;struct student *stu_tmp;char *c_tmp;int i,ret;ret = kfifo_alloc(&fifo,4*sizeof(struct student),GFP_KERNEL);if(ret){printk("kfifo_alloc error\n");return ret;}stu1 = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);stu1->id = 1;stu1->name = "laoyl1";kfifo_in(&fifo,(char*)stu1,sizeof(struct student));stu2 = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);stu2->id = 2;stu2->name = "laoyl2";kfifo_in(&fifo,(char*)stu2,sizeof(struct student));stu3 = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);stu3->id = 3;stu3->name = "laoyl3";kfifo_in(&fifo,(char*)stu3,sizeof(struct student));stu4 = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);stu4->id = 4;stu4->name = "laoyl4";kfifo_in(&fifo,(char*)stu4,sizeof(struct student));c_tmp = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);printk("current fifo size is:%d\n",kfifo_size(&fifo));printk("current fifo length is:%d\n",kfifo_len(&fifo));for(i=0;i<4;i++){kfifo_out(&fifo,c_tmp,sizeof(struct student));stu_tmp = (struct student *)c_tmp;print_student(stu_tmp);printk("current fifo length is:%d\n",kfifo_len(&fifo));printk("current fifo avail is:%d\n",kfifo_avail(&fifo));}printk("current fifo length is:%d\n",kfifo_len(&fifo));kfifo_free(&fifo);kfree(c_tmp);return 0;}static void print_student(struct student *stu){printk("=====================\n");print_current_time(1);printk("id = %d\n",stu->id);printk("name = %s\n",stu->name);printk("=====================\n");}static void testkfifo_exit(void){printk("*********************\n");printk("testkfifo is exited!\n");printk("*********************\n");}module_init(testkfifo_init);module_exit(testkfifo_exit);

其中引用的kn_common.h文件：

#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/slab.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/kfifo.h>#include <linux/time.h>void print_current_time(int is_new_line);

kn_common.h对应的kn_common.c：

#include "kn_common.h"void print_current_time(int is_new_line){struct timeval *tv;struct tm *t;tv = kmalloc(sizeof(struct timeval),GFP_KERNEL);t = kmalloc(sizeof(struct tm),GFP_KERNEL);do_gettimeofday(tv);time_to_tm(tv->tv_sec,0,t);printk("%ld-%d-%d %d:%d:%d",t->tm_year+1900,t->tm_mon+1,t->tm_mday,(t->tm_hour+8)%24,t->tm_min,t->tm_sec);if(is_new_line ==1){printk("\n");}kfree(tv);kfree(t);}

Makefile：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m +=fifo.ofifo-objs := testkfifo.o kn_common.oelseKDIR := /ftpdown/linux-source/linux-3.0.8all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-rm -rf *.order *.symvers *.o *.mod.o *.mod.c clean:rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.orderendif

3 映射

映射的有点想其他语言(C#或者python)中的字典类型，每个唯一的id对应一个自定义的数据结构。

3.1 头文件简介

内核中关于映射定义的头文件位于：<linux/idr.h> include/linux/idr.h

头文件中定义的函数的实现位于：lib/idr.c

3.2 映射代码的注意点

映射的使用需要注意的是，给自定义的数据结构申请一个id的时候，不能直接申请id，先要分配id(函数idr_pre_get)，分配成功后，在获取一个id(函数idr_get_new)。

idr的结构比较复杂。

3.3 使用示例

构造了一个内核模块来实际使用一下内核中的映射，代码在ubuntu运行通过。

C代码:

#include <linux/idr.h>#include "kn_common.h"MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");struct student {int id;char *name;};static int print_student(int,void*,void*);static int testidr_init(void){DEFINE_IDR(idp);struct student *stu[4];int id,ret,i;for(i=0;i<4;i++){stu[i] = kmalloc(sizeof(struct student),GFP_KERNEL);stu[i]->id = i;stu[i]->name = "laoyl";}print_current_time(1);for(i=0;i<4;i++){do{if(!idr_pre_get(&idp,GFP_KERNEL))return -ENOSPC;ret = idr_get_new(&idp,stu[i],&id);printk("id=%d\n",id);}while(ret == -EAGAIN);}/* delete */idr_remove(&idp,1);/* find */print_student(0,idr_find(&idp,2),NULL);/* each */idr_for_each(&idp,print_student,(void *)"hello");idr_remove_all(&idp);idr_destroy(&idp);for(i=0;i<4;i++){kfree(stu[i]);}return 0;}static int print_student(int id,void *p,void *data){struct student *stu = p;printk("====================\n");printk("idr-id = %d\n",id);printk("idr-data = %s\n",(char*)data);print_current_time(1);printk("id = %d\n",stu->id);printk("name = %s\n",stu->name);printk("====================\n");return 0;}static void testidr_exit(void){printk("***************************\n");print_current_time(1);printk("testidr is exited!\n");printk("***************************\n");}module_init(testidr_init);module_exit(testidr_exit);

注：其中用到的kn_common.h和kn_common.c文件与队列的示例中一样。

Makefile:

ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m +=idr.oidr-objs := testidr.o kn_common.oelseKDIR := /ftpdown/linux-source/linux-3.0.8all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-rm -rf *.order *.symvers *.o *.mod.o *.mod.c clean:rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.orderendif