Linux内核代码中广泛使用了数据结构和算法，其中最常用的两个是链表和红黑树。
链表
Linux内核代码大量使用了链表这种数据结构。链表是在解决数组不能动态扩展这个缺陷而产生的一种数据结构。链表所包含的元素可以动态创建并插入和删除。
链表的每个元素都是离散存放的，因此不需要占用连续的内存。链表通常由若干节点组成，每个节点的结构都是一样的，由有效数据区和指针区两部分组成。有效数据区用来存储有效数据信息，而指针区用来指向链表的前继节点或者后继节点。因此，链表就是利用指针将各个节点串联起来的一种存储结构。
单向链表的指针区只包含一个指向下一个节点的指针，因此会形成一个单一方向的链表，如下代码所示。
struct list { int data; /*有效数据*/ struct list *next ;/*指向下一个元素的指针*/ };
如图所示，单向链表具有单向移动性，也就是只能访问当前的节点的后继节点，而无法访问当前节点的前继节点，因此在实际项目中运用得比较少。
如图所示，双向链表和单向链表的区别是指针区包含了两个指针，一个指向前继节点，另一个指向后继节点，
链表头应该是next指向节点，
如下代码所示。
struct list { int data; /*有效数据*/ struct list *next ;/*指向下一个元素的指针*/ struct list *prev ;/*指向上一个元素的指针*/ };
单向链表和双向链表在实际使用中有一些局限性，如数据区必须是固定数据，而实际需求是多种多样的。这种方法无法构建一套通用的链表，因为每个不同的数据区需要一套链表。
为此，Linux内核把所有链表操作方法的共同部分提取出来，把不同的部分留给代码编程者自己去处理。
Linux内核实现了一套纯链表的封装，链表节点数据结构只有指针区而没有数据区，另外还封装了各种操作函数，如创建节点函数、插入节点函数、删除节点函数、遍历节点函数等。
Linux内核链表使用 struct list_head 数据结构来描述。
<include/linux/types.h> struct list_head { struct list_head *next , *prev ; };
struct list_head数据结构不包含链表节点的数据区，通常是嵌入其他数据结构，如struct page数据结构中嵌入了一个lru链表节点，通常是把page数据结构挂入LRU链表。
<include/linux/mm_types.h> struct page { ... struct list_head lru ; ... }
链表头的初始化有两种方法，一种是静态初始化，另一种动态初始化。
把next和prev指针都初始化并指向自己，这样便初始化了一个带头节点的空链表。
<include/linux/list .h> /*静态初始化*/ #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) } #define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name) /*动态初始化*/ static inline void INIT_LIST_HEAD (struct list_head *list ) { list ->next = list ; list ->prev = list ; }
添加节点到一个链表中，内核提供了几个接口函数，如list_add()是把一个节点添加到表头，list_add_tail()是插入表尾。
<include/linux/list.h> void list_add(struct list_head *new , struct list_head *head) list_add_tail(struct list_head *new , struct list_head *head)
#define list_for_each(pos, head) for (pos = (head)->next ; pos != (head); pos = pos ->next )
这个宏只是遍历一个一个节点的当前位置，那么如何获取节点本身的数据结构呢？这里还需要使用list_entry()宏。
#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member) //container_of()宏的定义在kernel.h头文件中。 #define container_of(ptr, type, member) ({ const typeof ( ((type * )0)->member ) *__mptr (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
其中offsetof()宏是通过把0地址转换为type类型的指针，然后去获取该结构体中member成员的指针，也就是获取了member在type结构体中的偏移量。最后用指针ptr减去offset，就得到type结构体的真实地址了。
对linux内核中container_of()宏的理解
<drivers/block/osdblk.c> static ssize_t class_osdblk_list(struct class *c, struct class_attribute *attr, char *data) { int n = 0 ; struct list_head *tmp; list_for_each(tmp, &osdblkdev_list) { struct osdblk_device *osdev; osdev = list_entry(tmp, struct osdblk_device, node); n += sprintf(data+n, "%d %d %llu %llu %s
" , osdev->id , osdev->major, osdev->obj.partition, osdev->obj.id, osdev->osd_path); } return n; }
红黑树
红黑树（Red Black Tree）被广泛应用在内核的内存管理和进程调度中，用于将排序的元素组织到树中。红黑树被广泛应用在计算机科学的各个领域中，它在速度和实现复杂度之间提供一个很好的平衡。
从一个内部结点到叶结点的简单路径上，对所有叶节点来说，黑色结点的数目都是相同的。
红黑树的一个优点是，所有重要的操作（例如插入、删除、搜索）都可以在O(log n)时间内完成，n为树中元素的数目。
经典的算法教科书都会讲解红黑树的实现，这里只是列出一个内核中使用红黑树的例子，供读者在实际的驱动和内核编程中参考。这个例子可以在内核代码的documentation/Rbtree.txt文件中找到。
#include <linux/init.h> #include <linux/list.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/slab.h> #include <linux/mm.h> #include <linux/rbtree.h> MODULE_AUTHOR("figo.zhang" ); MODULE_DESCRIPTION(" " ); MODULE_LICENSE("GPL" ); struct mytype { struct rb_node node ; int key; }; /*红黑树根节点*/ struct rb_root mytree = RB_ROOT ; /*根据key来查找节点*/ struct mytype *my_search (struct rb_root *root, int new ) { struct rb_node *node = root ->rb_node ; while (node) { struct mytype *data = container_of (node , struct mytype , node ); if (data->key > new ) node = node->rb_left; else if (data->key < new ) node = node->rb_right; else return data; } return NULL ; } /*插入一个元素到红黑树中*/ int my_insert (struct rb_root *root, struct mytype *data) { struct rb_node **new = &(root ->rb_node ), *parent =NULL ; /* 寻找可以添加新节点的地方 */ while (*new ) { struct mytype *this = container_of (*new , struct mytype , node ); parent = *new ; if (this ->key > data->key) new = &((*new )->rb_left); else if (this ->key < data->key) { new = &((*new )->rb_right); } else return -1 ; } /* 添加一个新节点 */ rb_link_node(&data->node, parent, new ); rb_insert_color(&data->node, root); return 0 ; } static int __init my_init (void ) { int i; struct mytype *data ; struct rb_node *node ; /*插入元素*/ for (i =0 ; i < 20 ; i+=2 ) { data = kmalloc(sizeof (struct mytype), GFP_KERNEL); data->key = i; my_insert(&mytree, data); } /*遍历红黑树，打印所有节点的key值*/ for (node = rb_first(&mytree); node; node = rb_next(node)) printk("key=%d
" , rb_entry(node, struct mytype, node)->key); return 0 ; } static void __exit my_exit (void ) { struct mytype *data ; struct rb_node *node ; for (node = rb_first(&mytree); node; node = rb_next(node)) { data = rb_entry(node, struct mytype, node); if (data) { rb_erase(&data->node, &mytree); kfree(data); } } } module_init(my_init); module_exit(my_exit);
mytree是红黑树的根节点，my_insert()实现插入一个元素到红黑树中，my_search()根据key来查找节点。内核大量使用红黑树，如虚拟地址空间VMA的管理。
无锁环形缓冲区
生产者和消费者模型是计算机编程中最常见的一种模型。生产者产生数据，而消费者消耗数据，如一个网络设备，硬件设备接收网络包，然后应用程序读取网络包。
环形缓冲区是实现生产者和消费者模型的经典算法。环形缓冲区通常有一个读指针和一个写指针。读指针指向环形缓冲区中可读的数据，写指针指向环形缓冲区可写的数据。通过移动读指针和写指针实现缓冲区数据的读取和写入。
在Linux内核中，KFIFO是采用无锁环形缓冲区的实现。FIFO的全称是“First In First Out”，即先进先出的数据结构，它采用环形缓冲区的方法来实现，并提供一个无边界的字节流服务。
采用环形缓冲区的好处是，当一个数据元素被消耗之后，其余数据元素不需要移动其存储位置，从而减少复制，提高效率。
在使用KFIFO之前需要进行初始化，这里有静态初始化和动态初始化两种方式。
<include/linux/kfifo.h> int kfifo_alloc(fifo, size, gfp_mask)
该函数创建并分配一个大小为size的KFIFO环形缓冲区。第一个参数fifo是指向该环形缓冲区的struct kfifo数据结构；第二个参数size是指定缓冲区元素的数量；第三个参数gfp_mask表示分配KFIFO元素使用的分配掩码。
#define DEFINE_KFIFO(fifo, type, size) #define INIT_KFIFO(fifo)
把数据写入KFIFO环形缓冲区可以使用kfifo_in()函数接口。
int kfifo_in (fifo, buf, n )
该函数把buf指针指向的n个数据复制到KFIFO环形缓冲区中。第一个参数fifo指的是KFIFO环形缓冲区；第二个参数buf指向要复制的数据的buffer；第三个数据是要复制数据元素的数量。
从KFIFO环形缓冲区中列出或者摘取数据可以使用kfifo_out()函数接口。
#define kfifo_out(fifo, buf, n)
该函数是从fifo指向的环形缓冲区中复制n个数据元素到buf指向的缓冲区中。如果KFIFO环形缓冲区的数据元素小于n个，那么复制出去的数据元素小于n个。
KFIFO提供了几个接口函数来查询环形缓冲区的状态。
#define kfifo_size(fifo) #define kfifo_len(fifo) #define kfifo_is_empty(fifo) #define kfifo_is_full(fifo)
kfifo_size()用来获取环形缓冲区的大小，也就是最大可以容纳多少个数据元素。kfifo_len()用来获取当前环形缓冲区中有多少个有效数据元素。kfifo_is_empty()判断环形缓冲区是否为空。kfifo_is_full()判断环形缓冲区是否为满。
#define kfifo_from_user(fifo, from, len, copied) #define kfifo_to_user(fifo, to, len, copied)
kfifo_from_user()是把from指向的用户空间的len个数据元素复制到KFIFO中，最后一个参数copied表示成功复制了几个数据元素。
kfifo_to_user()则相反，把KFIFO的数据元素复制到用户空间。这两个宏结合了copy_to_user()、copy_from_user()以及KFIFO的机制，给驱动开发者提供了方便。
