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2014年(4)

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分类: LINUX

2014-09-23 10:27:17

原文地址:linux内核哈希查找(1) 作者:zhe_wang

        在内核中,查找是必不可少的,比如说内核管理这么多用户进程,现在要快速定位
某一个进程,这儿需要查找,还有,一个进程的地址空间中有多个虚存区,内核要快速
定位进程地址空间的某个虚存区,这儿也需要查找,等等。其中用的最多就是基于树的
查找-------->红黑树。和基于计算的查找------->哈希查找。两者的查找的效率高,而且
适应内核的情况,而基于线性表的查找-------->二分查找,尽管效率高但不能适应内核
里面的情况,现在版本的内核几乎不可能使用数组管理一些数据,这太原始了。而二分
查找必须使用数组,所以内核中不用二分查找。
--------------------------------------------------------------------------------
1,内核哈希查找的初始化。(用于进程的快速查找)
  1. /*
  2.  * The pid hash table is scaled according to the amount of memory in the
  3.  * machine. From a minimum of 16 slots up to 4096 slots at one gigabyte or
  4.  * more.
  5.  */
  6. void __init pidhash_init(void)
  7. {
  8.         int i, pidhash_size;
            //为数组开辟空间
  9.         pid_hash = alloc_large_system_hash("PID", sizeof(*pid_hash), 0, 18,
  10.                                            HASH_EARLY | HASH_SMALL,
  11.                                            &pidhash_shift, NULL, 4096);
  12.         pidhash_size = 1 << pidhash_shift;//数组的长度

  13.         for (i = 0; i < pidhash_size; i )
  14.                 INIT_HLIST_HEAD(&pid_hash[i]);//将数组中的指针都初始化为NULL
  15. }
初始化思想很简单,就是建立一个哈希数组(自己定义的一个概念,哈希表中的那个数组),
并将该数组进行初始化,该函数在start_kernel中被调用,至于数组的长度,可以写个小的
内核模块很简单就可以把它的大小读出来。pidhash_shift是个全局的变量,没有导出,可以
在内核符号表中找到其地址,cat /proc/kallsyms | grep pidhash_shift 把该值打印出来就
知道数组的大小了。从上面的代码可以看出,这个数组的长度还依赖于机器内存的大小,一般
内存环境该数组的长度都为4096.下面有个小模块可以读出pidhash_shift的值。
--------------------------------------------------------------------------------------------
  1.   1 #include <linux/module.h>
  2.   2 #include <linux/kernel.h>
  3.   3 #include <linux/init.h>
  4.   4 #include <linux/moduleparam.h>
  5.   5 #include <linux/list.h>
  6.   6 #include <linux/hash.h>
  7.   7
  8.     //cat /proc/kallsyms | grep pidhash_shift
  9.   8 unsigned int *p_shift = (unsigned int *)0xc176ab0c;
  10.   9
  11.  10 static int __init hash_size_init(void)
  12.  11 {
  13.  12 ---printk("pidhash_shift----------------->%u\n",*p_shift);
  14.  13 ---return 0;
  15.  14 }
  16.  15
  17.  16 static void __exit hash_size_exit(void)
  18.  17 {
  19.  18 printk("<1>exit ---------------------!\n");
  20.  19 }
  21.  20
  22.  21 module_init(hash_size_init);
  23.  22 module_exit(hash_size_exit);
  24.  23 MODULE_LICENSE("GPL");
--------------------------------------------------------------------------------------------
2,哈希函数的建立。
     哈希查找肯定离不开哈希函数,其实哈希函数就是一个数学函数,用来将实体分布在
哈希表中,前少冲突的发生。
  1.  40 #define pid_hashfn(nr, ns) -\
  2.  41 ---hash_long((unsigned long)nr (unsigned long)ns, pidhash_shift)
  1. 26 #define hash_long(val, bits) hash_32(val, bits)
  1.  19 /* 2^31 2^29 - 2^25 2^22 - 2^19 - 2^16 1 */
     20 #define GOLDEN_RATIO_PRIME_32 0x9e370001UL
  2.  
  3.  57 static inline u32 hash_32(u32 val, unsigned int bits)
  4.  58 {
  5.  59 ---/* On some cpus multiply is faster, on others gcc will do shifts */
  6.  60 ---u32 hash = val * GOLDEN_RATIO_PRIME_32;
  7.  61
  8.  62 ---/* High bits are more random, so use them. */
  9.  63 ---return hash >> (32 - bits);
  10.  64 }
由此看出,内核将进程分布到哈希表的索引是由进程号和命名空间两个决定的,使用的
数学函数也比较复杂。我想这也是为了减少冲突的发生。
--------------------------------------------------------------------------------------------
3,如何避免哈希冲突。
     内核里面的哈希一般都是使用连地址法解决冲突,这种方式在应用上很可行,使用
双向链表把冲突的节点都链接起来。





-----------------------------------------------------------------------------------------
4,在创建进程的过程中往哈希表中插入进程的“索引”。
进程在alloc_pid函数中将struct  pid插入到哈希表中。
调用过程见下图:

----------------------------------------------------------------------------------------------
alloc_pid中的代码:

  1. spin_lock_irq(&pidmap_lock);
  2.         for ( ; upid >= pid->numbers; --upid)
  3.                 hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain,
  4.                                 &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]);
  5. spin_unlock_irq(&pidmap_lock);
进程将创建好的struct pid中的nr和ns作为哈希函数的输入,从而计算出哈希数组的下标,
然后使用头插法,将struct hlist_node *pid_chain节点插入到链表中。
----------------------------------------------------------------------------------------------
5,使用哈希查找快速定位struct pid
在内核函数中,有个find_vpid函数,可以通过进程的pid快速找到进程的struct pid。
其中就是在建立好的哈希表中进行查找。

  1. struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
  2. {
  3.         struct hlist_node *elem;
  4.         struct upid *pnr;

  5.         hlist_for_each_entry_rcu(pnr, elem,
  6.                         &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
  7.                 if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
  8.                         return container_of(pnr, struct pid,
  9.                                         numbers[ns->level]);

  10.         return NULL;
  11. }
find_vpid就是直接调用find_pid_ns,该函数的两个参数,一个是进程pid,一个是命名空间ns
通过这两个就可以使用哈希函数定位到哈希数组的下标索引,然后遍历该数组单元的链表即可找到
进程的struct pid
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