深入理解Linux内核中的链表

  最近，开始研读一下Linux的内核代码，刚一开始，就有令人惊叹的发现，不得不感叹内核代码设计得之美！单是最常用的链表也设计得不得不令人佩服！
1.1.链表list_head
    include/linux/list.h
    很经典，链表在内核中很常用，例如管理进程，进程的各个状态队列都是使用这个双向链表实现的。内核中的链表定义成和数据无关的形式，而不是通常我们使用的链表格式，例如
typedef struct _list{
    Elemtype elem;
    struct _list *next;
}list;
内核中的链表定义为
struct list_head{
    struct list_head *next, *prev;
};
可见，这个链表节点中不包含任何数据，只有两个指针。当需要使用链表来组织数据结构时，这个结构中就包含一个list_head成员，例如
struct _list_struct{
    Elemtype elem;
    struct list_head list;
    ...
};
显而易见，链表实现成和数据分离的好处是，不用为每种数据都定义链表操作，可以使用统一的链表操作即可。但是问题是：只知道数据成员list的地址，怎样去访问自身以及其他成员呢？
#define list_entry(ptr,type,member)    /
    container_of(ptr,type,member)
而container_of(ptr,type,member)宏定义在include/list/kernel.h中
#define container_of(ptr,type,member)    ({
    const typeof( ((type *)0)->member) *__ptr=ptr;
    (type *)( (char *)__ptr - offsetof(type,member));})
    上面的宏有几点需要解释：
1）typeof(type) 宏
    typeof(type) 宏返回变量type的类型，例如：int a; typeof(a) b;等价于int b;
2）offsetof(type,member)宏
    它定义在include/linx/stddef.h中，如下：
#define offsetof(TYPE, MEMBER)  ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
这个宏返回member在type类型中的偏移量，type是一个结构，例如：
typeof(list_head,next);返回0，也就是返回相对于结构起始地址的偏移量。
3）为什么要使用typeof(((type *)0)->member)来定义指针 __ptr，而不是这样：
const typeof(member) *__ptr=ptr;？
    其实，这个很简单，因为member是结构的成员，只能通过结构来访问！
4）访问数据
    在文件include/linux/list.h中，有访问链表数据的代码
#define list_for_each_entry(pos, head, member)
    for(pos=list_entry((head)->next,typeof(*pos),member);...)
从上面的使用来看，替换list_entry宏以及container_of宏后，变成如下：
    pos=({const typeof(((typeof(*pos) *)0)->member) *__ptr=(head)->next;
            (typeof(*pos) *)((char *)__ptr - offsetof(typeof(typeof(*pos)),member));});
1）这里的语法很奇怪，小括号()中包含了一个代码段{}，这是平常都见不到的。

1.2.链表hlist_head
    hlist_head链表也是一个双向链表，它的定义如下
struct hlist_head{
    struct hlist_node *first;
};
struct hlist_node{
    struct hlist_node *next, **prev;
};
    显然，这个双向链表不是真正的双向链表，因为表头只有一个first域，为什么这样设计？代码中的注释解释：为了节约内存，特别适合作为Hash表的冲突链，但Hash表很大时，那么表头节约下来的内存就相当客观了，虽然每个表头只节约一个指针。
    同时，表头的不一致性也会带来链表操作上的困难，显然就是在表头和首数据节点之间插入节点时需要特别处理，这也就是为什么会设计二级指针pprev的原因。看看代码
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;
}
    解释：指针n指向新节点，指针next指向将要在它之前插入新节点的那个节点。
看上面的代码，就可以看到二级指针pprev的威力了！有没有看到，当next就是第一个数据节点时，这里的插入也就是在表头和首数据节点之间插入一个节点，但是并不需要特别处理！而是统一使用*(n->pprev)来访问前驱的指针域（在普通节点中是next，而在表头中是first）。这太经典了！