Linux内核 hash——Jhash算法

1. 简介

在Linux内核中,hash算法用于将特定的数据映射到散列表中的一个桶(bucket)中。Jhash算法是Linux内核中使用的一种散列算法之一。本文将详细介绍Jhash算法的原理和实现细节。

2. Jhash算法原理

Jhash算法是一种快速运行且分布均匀的散列算法。它主要用于IPv4和IPv6地址的散列计算,通常用于路由表和连接表等数据结构中。

Jhash算法的主要思想是将输入数据划分为多个部分,然后对这些部分进行散列计算,并按照一定规则进行混合,最终得到最终的散列值。具体而言,Jhash算法的步骤如下:

2.1 输入数据的划分

对于给定的输入数据,Jhash算法将其划分为多个部分,通常是32位或64位。在IPv4地址的散列计算中,通常将IPv4地址划分为四个32位部分。而在IPv6地址的散列计算中,通常将IPv6地址划分为八个64位部分。

2.2 单个部分的散列计算

对于每个部分,Jhash算法使用一种简单的散列函数进行计算。这个散列函数可以是任何一种高效运行的散列算法,例如CRC32。这里以CRC32算法为例进行说明:

static inline u32 crc32(unsigned char const *p, size_t len, u32 crc)

{

int k;

crc = ~crc;

while (len--) {

crc ^= *p++;

for (k = 0; k < 8; k++)

crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;

}

return ~crc;

}

在这个例子中,输入数据p是一个指向数据的指针,len是数据的长度,crc是初始的散列值。这个函数首先对crc取反,并且对每个字节进行异或运算,然后根据CRC32算法的特性进行多次循环运算,最后再次取反得到最终的散列值。

2.3 部分散列值的混合

在得到每个部分的散列值之后,Jhash算法将这些散列值按照一定规则进行混合。混合的具体规则是通过简单的位运算和异或运算实现的。Jhash算法使用了一些固定的常数进行混合,以提供较好的散列分布。

3. Jhash算法实现

Jhash算法的实现主要包括输入数据的划分和散列计算两部分。

3.1 输入数据的划分

在IPv4地址的散列计算中,Jhash算法将32位的IPv4地址划分为四个8位的部分,分别表示为a、b、c和d。而在IPv6地址的散列计算中,Jhash算法将128位的IPv6地址划分为八个16位的部分,分别表示为a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2。

3.2 单个部分的散列计算

对于每个部分,Jhash算法使用了一个名为jhash_mix()的函数进行散列计算。这个函数的实现如下:

static inline void jhash_mix(u32 *a, u32 *b, u32 *c)

{

*a -= *c; *a ^= rol(*c, 4); *c += *b;

*b -= *a; *b ^= rol(*a, 6); *a += *c;

*c -= *b; *c ^= rol(*b, 8); *b += *a;

*a -= *c; *a ^= rol(*c, 16); *c += *b;

*b -= *a; *b ^= rol(*a, 19); *a += *c;

*c -= *b; *c ^= rol(*b, 4); *b += *a;

}

该函数接受三个指向32位整数的指针a、b和c作为参数。函数实现了一系列的简单位运算和异或运算,以实现对a、b和c的混合计算。

3.3 部分散列值的混合

在得到每个部分的散列值之后,Jhash算法将这些散列值按照一定规则进行混合。具体的混合规则由jhash_final()函数实现:

static inline u32 jhash_final(u32 a, u32 b, u32 c)

{

c ^= b; c -= rol(b, 14);

a ^= c; a -= rol(c, 11);

b ^= a; b -= rol(a, 25);

c ^= b; c -= rol(b, 16);

a ^= c; a -= rol(c, 4);

b ^= a; b -= rol(a, 14);

c ^= b; c -= rol(b, 24);

return c;

}

该函数接受三个32位整数a、b和c作为参数,并且实现了一系列的位运算和异或运算,以进行混合计算,并最终返回混合后的散列值。

4. 总结

Jhash算法是Linux内核中使用的一种快速运行且分布均匀的散列算法。它通过将输入数据划分为多个部分,并使用简单的散列函数和混合规则进行计算,最终得到散列值。Jhash算法广泛应用于IPv4和IPv6地址的散列计算,以及其他需要高效散列计算的场景中。

需要注意的是,本文只是对Jhash算法进行了简要介绍,具体的实现细节可能会有一些变化。对于更具体的使用场景和实际需求,读者可以进一步研究Linux内核中的源代码,以了解更多关于Jhash算法的详细信息。

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