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深入分析 Linux 内核链表         ★★★★

深入分析 Linux 内核链表

作者:闵涛 文章来源:闵涛的学习笔记 点击数:1339 更新时间:2009/4/22 20:45:15
…… struct nf_sockopt_ops *ops; list_for_each_entry(ops,&nf_sockopts,list){ …… } ……

某些应用需要反向遍历链表,Linux提供了list_for_each_prev()和list_for_each_entry_reverse()来完成这一操作,使用方法和上面介绍的list_for_each()、list_for_each_entry()完全相同。

如果遍历不是从链表头开始,而是从已知的某个节点pos开始,则可以使用list_for_each_entry_continue(pos,head,member)。有时还会出现这种需求,即经过一系列计算后,如果pos有值,则从pos开始遍历,如果没有,则从链表头开始,为此,Linux专门提供了一个list_prepare_entry(pos,head,member)宏,将它的返回值作为list_for_each_entry_continue()的pos参数,就可以满足这一要求。

4. 安全性考虑
在并发执行的环境下,链表操作通常都应该考虑同步安全性问题,为了方便,Linux将这一操作留给应用自己处理。Linux链表自己考虑的安全性主要有两个方面:

a) list_empty()判断

基本的list_empty()仅以头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空,Linux链表另行提供了一个list_empty_careful()宏,它同时判断头指针的next和prev,仅当两者都指向自己时才返回真。这主要是为了应付另一个cpu正在处理同一个链表而造成next、prev不一致的情况。但代码注释也承认,这一安全保障能力有限:除非其他cpu的链表操作只有list_del_init(),否则仍然不能保证安全,也就是说,还是需要加锁保护。

b) 遍历时节点删除

前面介绍了用于链表遍历的几个宏,它们都是通过移动pos指针来达到遍历的目的。但如果遍历的操作中包含删除pos指针所指向的节点,pos指针的移动就会被中断,因为list_del(pos)将把pos的next、prev置成LIST_POSITION2和LIST_POSITION1的特殊值。

当然,调用者完全可以自己缓存next指针使遍历操作能够连贯起来,但为了编程的一致性,Linux链表仍然提供了两个对应于基本遍历操作的"_safe"接口:list_for_each_safe(pos, n, head)、list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member),它们要求调用者另外提供一个与pos同类型的指针n,在for循环中暂存pos下一个节点的地址,避免因pos节点被释放而造成的断链。

四、 扩展

1. hlist

图6 list和hlist
图6 list和hlist

精益求精的Linux链表设计者(因为list.h没有署名,所以很可能就是Linus Torvalds)认为双头(next、prev)的双链表对于HASH表来说"过于浪费",因而另行设计了一套用于HASH表应用的hlist数据结构--单指针表头双循环链表,从上图可以看出,hlist的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,这样在可能是海量的HASH表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。

因为表头和节点的数据结构不同,插入操作如果发生在表头和首节点之间,以往的方法就行不通了:表头的first指针必须修改指向新插入的节点,却不能使用类似list_add()这样统一的描述。为此,hlist节点的prev不再是指向前一个节点的指针,而是指向前一个节点(可能是表头)中的next(对于表头则是first)指针(struct list_head **pprev),从而在表头插入的操作可以通过一致的"*(node->pprev)"访问和修改前驱节点的next(或first)指针。

2. read-copy update
在Linux链表功能接口中还有一系列以"_rcu"结尾的宏,与以上介绍的很多函数一一对应。RCU(Read-Copy Update)是2.5/2.6内核中引入的新技术,它通过延迟写操作来提高同步性能。

我们知道,系统中数据读取操作远多于写操作,而rwlock机制在smp环境下随着处理机增多性能会迅速下降(见参考资料4)。针对这一应用背景,IBM Linux技术中心的Paul E. McKenney提出了"读拷贝更新"的技术,并将其应用于Linux内核中。RCU技术的核心是写操作分为写-更新两步,允许读操作在任何时候无阻访问,当系统有写操作时,更新动作一直延迟到对该数据的所有读操作完成为止。Linux链表中的RCU功能只是Linux RCU的很小一部分,对于RCU的实现分析已超出了本文所及,有兴趣的读者可以自行参阅本文的参考资料;而对RCU链表的使用和基本链表的使用方法基本相同。

五、 示例
附件中的程序除了能正向、反向输出文件以外,并无实际作用,仅用于演示Linux链表的使用。

为了简便,例子采用的是用户态程序模板,如果需要运行,可采用如下命令编译:



gcc -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.6.7/include pfile.c -o pfile

因为内核链表限制在内核态使用,但实际上对于数据结构本身而言并非只能在核态运行,因此,在笔者的编译中使用"-D__KERNEL__"开关"欺骗"编译器。

参考资料

  1. 维基百科http://zh.wikipedia.org,一个在GNU Documentation License下发布的网络辞典,自由软件理念的延伸,本文的"链表"概念即使用它的版本。
  2. 《Linux内核情景分析》,毛德操先生的这本关于Linux内核的巨著几乎可以回答绝大部分关于内核的问题,其中也包括内核链表的几个关键数据结构。
  3. Linux内核2.6.7源代码,所有不明白的问题,只要潜心看代码,总能清楚。
  4. Kernel Korner: Using RCU in the Linux 2.5 Kernel,RCU主要开发者Paul McKenney 2003年10月发表于Linux Journal上的一篇介绍RCU的文章。在http://www.rdrop.com/users/paulmck/rclock/上可以获得更多关于RCU的帮助。

关于作者
杨沙洲,目前在国防科技大学计算机学院攻读软件方向博士学位。对文中存在的技术问题,欢迎向pubb@163.net质疑。

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