Linux内核的链表

 

自2.1内核开发版以来，linux就引入了正式的链表实现,采用的是双向循环链表。因此，在开发过程中应该使用这些已有的接口。

 

1. 定义

 

链表结构体定义在文件<linux/list.h>中。
    struct list＿head {
       struct list_head  *next;
       struct list_head  *prev;
    };
使用时通常需要把它嵌入到你自己的结构体中。
例：
        struct my_struct {
             struct list_head  list;
             unsigned long     dog;
             void *            cat;
        };
下面给出一些接口：
    struct my_struct *p;

初始化：
/*动态初始化*/
    p->dog = 0;
    p->cat = NULL;
    INIT_LIST_HEAD(&p->list); 
/*静态初始化*/
    struct my_struct mine = {
       .list = LIST_HDAD_INIT(mine.list);
       .dog = 0;
       .cat = NULL;
    };
/*直接声明并初始化*/
    static LIST_HEAD(fox); /*声明并初始化一个名为fox的静态链表*/

 

2. 基本操作

给链表增加一个节点：
    list_add(struct list_head *new, struct list_head *head);
    /*该函数向指定链表的head节点后插入new节点。*/
    list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head);
    /*该函数向指定链表的head节点前插入new节点。*/

从链表中删除一个节点：
    list_del(struct list_head *entry);
    /*该函数仅仅是将entry元素从链表中移走。*/
     list_del_init(struct list_head *entry);
    /*该函数将entry元素从链表中移走并再次初始化entry。*/

把节点从一个链表移到另一个链表：
    list_move(struct list_head *list, struct list_head *head);
    /*该函数从一个链表中摘除list项，然后将其加入另一个链表的head节点后。*/
    list_move_tail(struct list_head *list, struct list_head *head);
    /*同上，只是将list项插入到head项前。*/

检查一个链表是否为空：
    list_empty(struct list_head *head);
    /*如果指定的链表为空，该函数返回非0值，否则返回0。*/

合并两个链表：
    list_splice(struct list_head *list, struct list_head *head);
    /*将list指向的链表插入到指定链表中head元表后。*/
    list_splice_init(struct list_head *list, struct list_head *head);
    /*同上,不同的是由list指向的链表要被重新初始化。*/

 

3.遍历

 

遍历是链表最经常的操作之一，为了方便核心应用遍历链表，Linux链表将遍历操作抽象成几个宏。在介绍遍历宏之前，我们先看看如何从链表中访问到我们真正需要的数据项。

 

a) 由链表节点到数据项变量

我们知道，Linux链表中仅保存了数据项结构中list_head成员变量的地址，那么我们如何通过这个list_head成员访问到作为它的所有者的节点数据呢？Linux为此提供了一个list_entry(ptr,type,member)宏，其中ptr是指向该数据中list_head成员的指针，也就是存储在链表中的地址值，type是数据项的类型，member则是数据项类型定义中list_head成员的变量名，例如，我们要访问nf_sockopts链表中首个nf_sockopt_ops变量，则如此调用：

list_entry(nf_sockopts->next, struct nf_sockopt_ops, list);

 

这里"list"正是nf_sockopt_ops结构中定义的用于链表操作的节点成员变量名。

list_entry的使用相当简单，相比之下，它的实现则有一些难懂：

#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member)container_of宏定义在[include/linux/kernel.h]中：#define container_of(ptr, type, member) ({   /        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); /        (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})offsetof宏定义在[include/linux/stddef.h]中：#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

 

size_t最终定义为unsigned int（i386）。

这里使用的是一个利用编译器技术的小技巧，即先求得结构成员在与结构中的偏移量，然后根据成员变量的地址反过来得出属主结构变量的地址。

container_of()和offsetof()并不仅用于链表操作，这里最有趣的地方是((type *)0)->member，它将0地址强制"转换"为type结构的指针，再访问到type结构中的member成员。在container_of宏中，它用来给typeof()提供参数（typeof()是gcc的扩展，和sizeof()类似），以获得member成员的数据类型；在offsetof()中，这个member成员的地址实际上就是type数据结构中member成员相对于结构变量的偏移量。

对于给定一个结构，offsetof(type,member)是一个常量，list_entry()正是利用这个不变的偏移量来求得链表数据项的变量地址。

 

b) 遍历宏

在[net/core/netfilter.c]的nf_register_sockopt()函数中有这么一段话：

……struct list_head *i;…… list_for_each(i, &nf_sockopts) {  struct nf_sockopt_ops *ops = (struct nf_sockopt_ops *)i;  …… } ……

 

函数首先定义一个(struct list_head *)指针变量i，然后调用list_for_each(i,&nf_sockopts)进行遍历。在[include/linux/list.h]中，list_for_each()宏是这么定义的：

#define list_for_each(pos, head) / for (pos = (head)->next, prefetch(pos->next); pos != (head); /         pos = pos->next, prefetch(pos->next))

 

它实际上是一个for循环，利用传入的pos作为循环变量，从表头head开始，逐项向后（next方向）移动pos，直至又回到head（prefetch()可以不考虑，用于预取以提高遍历速度）。

那么在nf_register_sockopt()中实际上就是遍历nf_sockopts链表。为什么能直接将获得的list_head成员变量地址当成struct nf_sockopt_ops数据项变量的地址呢？我们注意到在struct nf_sockopt_ops结构中，list是其中的第一项成员，因此，它的地址也就是结构变量的地址。更规范的获得数据变量地址的用法应该是：

struct nf_sockopt_ops *ops = list_entry(i, struct nf_sockopt_ops, list);

 

大多数情况下，遍历链表的时候都需要获得链表节点数据项，也就是说list_for_each()和list_entry()总是同时使用。对此Linux给出了一个list_for_each_entry()宏：

#define list_for_each_entry(pos, head, member)  ……

 

与list_for_each()不同，这里的pos是数据项结构指针类型，而不是(struct list_head *)。nf_register_sockopt()函数可以利用这个宏而设计得更简单：

……struct nf_sockopt_ops *ops;list_for_each_entry(ops,&nf_sockopts,list){ ……}……

 

某些应用需要反向遍历链表，Linux提供了list_for_each_prev()和list_for_each_entry_reverse()来完成这一操作，使用方法和上面介绍的list_for_each()、list_for_each_entry()完全相同。

如果遍历不是从链表头开始，而是从已知的某个节点pos开始，则可以使用list_for_each_entry_continue(pos,head,member)。有时还会出现这种需求，即经过一系列计算后，如果pos有值，则从pos开始遍历，如果没有，则从链表头开始，为此，Linux专门提供了一个list_prepare_entry(pos,head,member)宏，将它的返回值作为list_for_each_entry_continue()的pos参数，就可以满足这一要求。

 

4. 安全

 

在并发执行的环境下，链表操作通常都应该考虑同步安全性问题，为了方便，Linux将这一操作留给应用自己处理。Linux链表自己考虑的安全性主要有两个方面：

a) list_empty()判断

基本的list_empty()仅以头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空，Linux链表另行提供了一个list_empty_careful()宏，它同时判断头指针的next和prev，仅当两者都指向自己时才返回真。这主要是为了应付另一个cpu正在处理同一个链表而造成next、prev不一致的情况。但代码注释也承认，这一安全保障能力有限：除非其他cpu的链表操作只有list_del_init()，否则仍然不能保证安全，也就是说，还是需要加锁保护。

b) 遍历时节点删除

前面介绍了用于链表遍历的几个宏，它们都是通过移动pos指针来达到遍历的目的。但如果遍历的操作中包含删除pos指针所指向的节点，pos指针的移动就会被中断，因为list_del(pos)将把pos的next、prev置成LIST_POSITION2和LIST_POSITION1的特殊值。

当然，调用者完全可以自己缓存next指针使遍历操作能够连贯起来，但为了编程的一致性，Linux链表仍然提供了两个对应于基本遍历操作的"_safe"接口：list_for_each_safe(pos, n, head)、list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)，它们要求调用者另外提供一个与pos同类型的指针n，在for循环中暂存pos下一个节点的地址，避免因pos节点被释放而造成的断链。

 

5. hlist

 

精益求精的Linux链表设计者（因为list.h没有署名，所以很可能就是Linus Torvalds）认为双头（next、prev）的双链表对于HASH表来说"过于浪费"，因而另行设计了一套用于HASH表应用的hlist数据结构--单指针表头双循环链表，从上图可以看出，hlist的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，这样在可能是海量的HASH表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。

因为表头和节点的数据结构不同，插入操作如果发生在表头和首节点之间，以往的方法就行不通了：表头的first指针必须修改指向新插入的节点，却不能使用类似list_add()这样统一的描述。为此，hlist节点的prev不再是指向前一个节点的指针，而是指向前一个节点（可能是表头）中的next（对于表头则是first）指针（struct list_head **pprev），从而在表头插入的操作可以通过一致的"*(node->pprev)"访问和修改前驱节点的next（或first）指针。

 

6. rcu

 

在Linux链表功能接口中还有一系列以"_rcu"结尾的宏，与以上介绍的很多函数一一对应。RCU（Read-Copy Update）是2.5/2.6内核中引入的新技术，它通过延迟写操作来提高同步性能。

我们知道，系统中数据读取操作远多于写操作，而rwlock机制在smp环境下随着处理机增多性能会迅速下降（见参考资料4）。针对这一应用背景，IBM Linux技术中心的Paul E. McKenney提出了"读拷贝更新"的技术，并将其应用于Linux内核中。RCU技术的核心是写操作分为写-更新两步，允许读操作在任何时候无阻访问，当系统有写操作时，更新动作一直延迟到对该数据的所有读操作完成为止。Linux链表中的RCU功能只是Linux RCU的很小一部分，对于RCU的实现分析已超出了本文所及，有兴趣的读者可以自行参阅本文的参考资料；而对RCU链表的使用和基本链表的使用方法基本相同。