哈希链表及其变种

前言

 

先来直观的比较下普通链表和哈希链表：

 

 

普通链表

 

普通链表的表头和节点相同

struct list_head {    struct list_head *next, *prev;};

 

哈希链表

 

哈希链表头

struct hlist_head {    struct hlist_node *first;};

哈希链表节点

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

 

设计原理

 

Linux链表设计者认为双指针表头双循环链表对于HASH表来说过于浪费，因而另行设计了一套用于HASH表的hlist数据结构，

即单指针表头双循环链表。hlist表头仅有一个指向首节点的指针，而没有指向尾节点的指针，这样在海量的HASH表中存储

的表头就能减少一半的空间消耗。

 

这里还需要注意：struct hlist_node **pprev，也就是说pprev是指向前一个节点(也可以是表头)中next指针的指针。

Q：为什么不使用struct hlist_node *prev，即让prev指向前一个节点呢？

A：因为这时候表头(hlist_head)和节点(hlist_node)的数据结构不同。如果使用struct hlist_node *prev，只适用于前一个为节点

的情况，而不适用于前一个为表头的情况。如果每次操作都要考虑指针类型转换，会是一件麻烦的事情。

所以，我们需要一种统一的操作，而不用考虑前一个元素是节点还是表头。

struct hlist_node **pprev，pprev指向前一个元素的next指针，不用管前一个元素是节点还是表头。

当我们需要操作前一个元素(节点或表头)，可以统一使用*(node->pprev)来访问和修改前一元素的next(或first)指针。

 

原理图如下：

 

 

常用操作

 

(1) 初始化

/* * Double linked lists with a single pointer list head. * Mostly useful for hash tables where the two pointer list head is too wasteful. * You lose the ability to access the tail in O(1). */#define HLIST_HEAD_INIT { .first = NULL }#define HLIST_HEAD (name) struct hlist_head name = { .first = NULL }#define INIT_HLIST_HEAD(ptr) ((ptr)->first = NULL)

 

(2) 插入

/* 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;}

 

(3) 删除

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

 

(4) 遍历

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *) 0)->MEMBER)/* * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure * @ptr: the pointer to the member. * @type: the type of the container struct this is embedded in. * @member: the name of the member within the struct. */#define container_of(ptr, type, member) ({    \    const typeof(((type *) 0)->member) * __mptr = (ptr);    \    (type *) ((char *) __mptr - offsetof(type, member)); })#define hlist_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member)#define hlist_for_each(pos, head) \    for (pos = (head)->first; pos; pos = pos->next) /** * hlist_for_each_entry - iterate over list of given type * @tpos: the type * to use as a loop cursor. * @pos: the &struct hlist_node to use a loop cursor. * @head: the head for your list. * @member: the name of the hlist_node within the struct. */#define hlist_for_each_entry(tpos, pos, head, member)    \    for (pos = (head)->first;    \           pos && ({ tpos = hlist_entry(pos, typeof(*tpos), member); 1;});    \           pos = pos->next)

 

哈希链表变种

 

以下是作者的说明：

Special version of lists, where end of list is not a NULL pointer,

but a 'nulls' marker, which can have many different values.

(up to 2^31 different values guaranteed on all platforms)

In the standard hlist, termination of a list is the NULL pointer.

In this special 'nulls' variant, we use the fact the objects stored in

a list are aligned on a word (4 or 8 bytes alignment).

We therefore use the last significant bit of 'ptr':

Set to 1: This is a 'nulls' end-of-list maker (ptr >> 1)

Set to 0: This is a pointer to some object (ptr)

 

设计原理

 

当遍历标准的哈希链表时，如果节点为NULL，表示链表遍历完了。

哈希链表变种和标准哈希链表的区别是：链表的结束节点不是NULL。如果first或者next指针的最后一位为1，

就说明遍历到链表尾部了。

Q：为什么可以根据节点指针的最后一位是否为1来判断链表是否结束？

A：因为在一个结构体中，其元素是按4字节(32位机器)或者8字节(64位机器)对齐的。所以有效的节点指针的

      最后一位总是为0。因此我们可以通过把节点指针的最后一位置为1，来作为结束标志。

 

/* 表头 */struct hlist_nulls_head {    struct hlist_nulls_node *first;};/* 节点 */struct hlist_nulls_node {    struct hlist_nulls_node *next, **pprev;};

 

原理图如下：

 

 

常用操作

 

(1) 初始化

#define INIT_HLIST_NULLS_HEAD(ptr, nulls)    \    ((ptr)->first = (struct hlist_nulls_node *) (1UL | (((long) nulls) << 1)))

 

(2) 判断是否为结束标志

/* * ptr_is_a_nulls - Test if a ptr is a nulls * @ptr: ptr to be tested */static inline int is_a_nulls(const struct hlist_nulls_node *ptr){    return ((unsigned long) ptr & 1);}

 

(3) 获取结束标志

/* * get_nulls_value - Get the 'nulls' value of the end of chain * @ptr: end of chain * Should be called only if is_a_nulls(ptr); */static inline unsigned long get_nulls_value(const struct hlist_nulls_node *ptr){    return ((unsigned long)ptr) >> 1;}

 

(4) 插入

把节点n插入为链表的第一个节点。

static inline void hlist_nulls_add_head(struct hlist_nulls_node *n, struct hlist_nulls_head *h){    struct hlist_nulls_node *first = h->first;    n->next = first;    n->pprev = &h->first;    h->first = n;    if (! is_a_nulls(first))        first->pprev = &n->next;}

 

(5) 删除

/* * These are non-NULL pointers that will result in page faults * under normal circumstances, used to verify that nobody uses * non-initialized list entries. */#define LIST_POISON1 ((void *) 0x00100100 + POISON_POINTER_DELTA)#define LIST_POISON2 ((void *) 0x00200200 + POISON_POINTER_DELTA)static inline void __hlist_nulls_del(struct hlist_nulls_node *n){    struct hlist_nulls_node *next = n->next;    struct hlist_nulls_node **pprev = n->pprev;    *pprev = next;    if (! is_a_nulls(next))        next->pprev = pprev;}static inline void hlist_nulls_del(struct hlist_nulls_node *n){    __hlist_nulls_del(n);    n->pprev = LIST_POISON2; /* 防止再通过n访问链表 */}

 

(6) 遍历

同标准哈希链表的基本一样。

hlist_nulls_for_each_entry(tpos, pos, head, member)

hlist_nulls_for_each_entry_from(tpos, pos, member)

 

Author

 

zhangskd @ csdn blog