Linux内核中常用的数据结构和算法

Linux内核作为高性能、高可靠性的操作系统核心，其数据结构和算法设计极具代表性。以下是内核中关键的数据结构和算法分类解析：

一、核心数据结构

1. 链表结构

   • 双向循环链表：struct list_head（include/linux/list.h）
     • 侵入式设计，通过容器宏实现类型无关
     • 示例：进程链表、设备链表
   • RCU链表：struct hlist_head（RCU安全版本）

2. 哈希表

   • 动态扩容哈希表：struct htable
   • 经典应用：虚拟文件系统dentry缓存、网络协议栈连接跟踪表

3. 红黑树

   • struct rb_root（lib/rbtree.c）
   • 特性：自平衡、O(log n)复杂度
   • 应用场景：
     • 内存管理（vm_area_struct管理）
     • 调度器CFS（vruntime排序）
     • 块设备I/O调度（deadline调度器）

4. 基数树（Radix Tree）

   • struct radix_tree_root（lib/radix-tree.c）
   • 用于快速定位指针数据
   • 典型应用：页面缓存（page cache）

5. 优先级堆

   • 内核定时器使用的最小堆结构
   • 实现文件：kernel/time/timer.c

二、关键算法实现

1. 调度算法

   • CFS（完全公平调度器）：
     • 红黑树管理进程队列
     • vruntime计算：update_curr()
   • 实时调度：SCHED_FIFO/SCHED_RR

2. 内存管理

   • Buddy算法（伙伴系统）：
     • 页框分配：__alloc_pages()
     • 实现文件：mm/page_alloc.c
   • Slab分配器：
     • 对象缓存管理（kmem_cache）
     • 三种形态：SLAB/SLUB/SLOB

3. 搜索算法

   • B+树：文件系统索引（如ext4的HTree）
   • 二分查找：lib/bsearch.c

4. 加密算法

   • AES、SHA系列算法实现
   • 位于crypto/目录下

5. 压缩算法

   • LZO/ZLIB（lib/lzo, lib/zlib）
   • 用于ramdisk、固件解压

三、同步原语实现

1. 自旋锁

   • spinlock_t（包括ticket锁变种）
   • 实现文件：include/linux/spinlock.h

2. RCU（Read-Copy-Update）

   • 无锁读机制
   • 典型应用：路由表查询

3. 完成量（Completion）

   • struct completion
   • 用于跨线程事件通知

四、网络子系统专用

1. sk_buff结构

   • 网络数据包核心容器
   • 高效的内存管理设计

2. 路由查找

   • LPC-trie算法（Longest Prefix Match）
   • 实现文件：net/ipv4/fib_trie.c

五、性能优化技巧

1. 预取机制

   • prefetch()宏（arch/x86/include/asm/processor.h）

2. 无锁编程

   • 原子操作：atomic_t
   • 每CPU变量：DEFINE_PER_CPU

3. 内存屏障

   • smp_rmb()/smp_wmb()

六、调试相关

1. 链表检查

   • CONFIG_DEBUG_LIST
   • 链表操作前验证指针有效性

2. 内存检测

   • KASAN（内核地址消毒剂）
   • SLUB DEBUG

这些数据结构在实际使用中往往需要配合内核的特定API：

// 红黑树使用示例
struct my_item {
    struct rb_node node;
    int key;
};

struct rb_root my_tree = RB_ROOT;

int insert_item(struct my_item *new) {
    struct rb_node **link = &my_tree.rb_node;
    struct rb_node *parent = NULL;
    while (*link) {
        parent = *link;
        struct my_item *item = rb_entry(parent, struct my_item, node);
        if (new->key < item->key)
            link = &(*link)->rb_left;
        else
            link = &(*link)->rb_right;
    }
    rb_link_node(&new->node, parent, link);
    rb_insert_color(&new->node, &my_tree);
    return 0;
}

理解这些数据结构需要注意： 1. 内存约束：内核空间有限，需严格控制内存使用 2. 并发安全：所有操作必须考虑SMP环境下的同步 3. 性能优先：牺牲部分通用性换取极致性能

最新内核版本（6.x+）中新增了： - Maple Tree：替代radix tree的新数据结构 - DAMON：内存访问模式算法 - MGLRU：改进的页面回收算法

掌握这些数据结构需要结合具体子系统代码分析，建议从内存管理（mm/）和进程调度（kernel/sched/）子系统开始深入研究。