[原]哈希链表及其变种

2013-9-9阅读238 评论0

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(tyos, 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)对其的。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