内核数据结构之链表

来源：互联网发布：彩虹六号数据统计编辑：程序博客网时间：2024/05/22 01:41

内核中采用链表管理对象的方式很值得借鉴

内核中经常采用链表来管理对象，先看一下内核中对链表的定义
    struct list_head {
        struct list_head *next, *prev;
    };

一般将该数据结构嵌入到其他的数据结构中，从而使得内核可以通过链表的方式管理新的数据结构，看一个例子:

    struct example {
        member a;
       struct list_head list;
        member b;
    };

1、链表的定义和初始化

您可以通过两种方式来定义和初始化一个链表头结点，例如，您想定义一个链表头结点mylist，那么您可以这么做：

① LIST_HEAD(mylist); // 使用LIST_HEAD宏定义并初始化一个链表

也可以这么做：

② struct list_head mylist; // 定义一个链表

INIT_LIST_HEAD(&mylist); // 使用INIT_LIST_HEAD函数初始化链表

可以看出方式①稍微简单一点，我们先来分析一下LIST_HEAD宏：

    #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
    #define LIST_HEAD(name) /
         struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

很容易看出LIST_HEAD(mylist);会被扩展为：

struct list_head mylist = { &(mylist), &(mylist) };

list_head结构只有两个成员：next和prev。从上面的代码可以看出，next和prev都被赋值为链表mylist的地址，也就是说，链表初始

化后next和prev都是指向自己的。

大多数情况下，list_head是被嵌入到其他数据结构中的，比如上面的example结构里的list成员，那么如何对list成员进行初始化？通过调用INIT_LIST_HEAD函数：

struct example test;

INIT_LIST_HEAD(&test.list);
该函数简单地将list成员的prev和next指针指向自己。

可以看出链表结点在初始化时，都将prev和next指向自己。注意：对链表的初始化非常重要，因为如果使用一个未被初始化的链表结点，很有可能会导致内核异常。例如，在对一个链表结点调用list_del函数后，接着再去对该结点进行一些操作。后面会有分析的：）

2、对链表常用的操作

对链表常用的操作无非就是增加、删除、遍历等。当然内核还提供很多其他的操作，如替换某个结点、将某个结点移动到链表尾端等等，这些操作都是通过调用基本的增加、删除等操作完成的。

① 增加：list_add和list_add_tail
调用list_add可以将一个新链表结点插入到一个已知结点的后面；

调用list_add_tail可以将一个新链表结点插入到一个已知结点的前面；

    下面分析它们的具体实现，它们都以不同的参数调用了相同的函数__list_add：
    static inline void __list_add(struct list_head *new,
             struct list_head *prev,
             struct list_head *next)
    {
         next->prev = new;
        new->next = next;
        new->prev = prev;
        prev->next = new;
    }
    该函数将new结点插入到prev结点和next之间；

    static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
    {
         __list_add(new, head, head->next);
    }
    list_add函数中以new、head、head->next为参数调用__list_add，将new结点插入到head和head->next之间，也就是将new结点插入到特定的已知结点head的后面；

    static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
    {
         __list_add(new, head->prev, head);
    }
    而list_add_tail函数则以new、head->prev、head为参数调用__list_add，将new结点插入到head->prev和head之间，也就是将new结点插入到特定的已知结点head的前面。

有了list_add和list_add_tail，我们可以很方便地实现栈（list_add）和队列（list_add_tail），在本文的最后一节，我们再做详细的分析。

② 删除：list_del和list_del_init

调用list_del函数删除链表中的一个结点；

调用list_del_init函数删除链表中的一个结点，并初始化被删除的结点（也就是使被删除的结点的prev和next都指向自己）；

    下面分析它们的具体实现，它们都调用了相同的函数__list_del：
    static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
    {
        next->prev = prev;
        prev->next = next;
    }
    该函数实际的作用是让prev结点和next结点互相指向；

    static inline void list_del(struct list_head *entry)
    {
         __list_del(entry->prev, entry->next);
         entry->next = LIST_POISON1;
         entry->prev = LIST_POISON2;
    }
    该函数中以entry->prev和entry->next为参数调用__list_del函数，使得entry结点的前、后结点绕过entry直接互相指向，然后将entry结点的前后指针指向LIST_POISON1和LIST_POISON2，从而完成对entry结点的删除。此函数中的LIST_POISON1和LIST_POISON2有点让人费解，因为一般情况下我们删除entry后，应该让entry的prev和next指向NULL的，可是这里却不是，原因有待调查。

    static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
    {
         __list_del(entry->prev, entry->next);
         INIT_LIST_HEAD(entry);
    }
    与list_del不同，list_del_init将entry结点删除后，还会对entry结点做初始化，使得entry结点的prev和next都指向自己。

3、几个重要的宏

内核提供了一组宏，以方便对链表进行管理，下面我只介绍到目前为止，我遇到过的，可能会很少，因为我接触到的很有限，以后遇到其他的会添加进来的。下面开始我们的分析啦:)

① list_entry

前面说过，list_head结构通常被嵌入到其他数据结构中，以便内核可以通过链表的方式管理这些数据结构。假设这样一种场景：我们已知类型为example的对象的list成员的地址ptr（struct list_head *ptr），那么我们如何通过ptr来得到该example对象的地址呢？答案很明显，使用container_of宏。不过，在这样的情况下我们应该通过使用list_entry宏来完成container_of宏的功能，因为这样更容易理解一点。其实list_entry宏很简单：#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member) ......

上述情况，我们可以这样： list_entry(ptr, struct example, list); 来获取example对象的指针。

② list_for_each_entry

对链表的一个重要的操作就是对链表进行遍历，以达到某种应用目的，比如统计链表结点的个数等等。先来看看内核中对该宏的定义：

    #define list_for_each_entry(pos, head, member)    /
         for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member); /
               prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); /
               pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

其中，pos是指向宿主结构的指针，在for循环中是一个迭代变量；head是要进行遍历的链表头指针；member是list_head成员在宿主结构中的名字。

链表是内核中使用最多的数据结构之一，最新的内核（2.6.39中）该数据结构定义在<linux/types.h>中定义

struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};

在<linux/list.h>中定义了一些对链表常用的操作宏和内联函数：

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

#define LIST_HEAD(name) /
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name) //定义一个链表且用初始化指向自己,静态初始化一个链表

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)   //动态的初始化一个链表，和上面的效果相同
{
   list->next = list;
   list->prev = list;
}

#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
static inline void __list_add(struct list_head *new,
                  struct list_head *prev,
                  struct list_head *next)
{
    next->prev = new;
    new->next = next;
    new->prev = prev;
    prev->next = new;
}
#else
extern void __list_add(struct list_head *new,
                  struct list_head *prev,
                  struct list_head *next);
#endif

void __list_add(struct list_head *new,
                  struct list_head *prev,
                  struct list_head *next)
{
   WARN(next->prev != prev,
       "list_add corruption. next->prev should be "
       "prev (%p), but was %p. (next=%p)./n",
       prev, next->prev, next);
   WARN(prev->next != next,
       "list_add corruption. prev->next should be "
       "next (%p), but was %p. (prev=%p)./n",
       next, prev->next, prev);
   next->prev = new;
   new->next = next;
   new->prev = prev;
   prev->next = new;
}
EXPORT_SYMBOL(__list_add);

struct list_head *prev,
struct list_head *next);
#endif

//下面是定义了 CONFIG_DEBUG_LIST时的函数定义，其作用都是把new链接到prev 和next之间

//下面函数的封装，用与将new插入head和head->next之间

static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head, head->next);
}

//下面函数的封装，用与将new插入head->prev和head之间

static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head->prev, head);
}

//下面的函数的式把prev和next指向的两个链表前后相连

static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
next->prev = prev;
prev->next = next;
}

//下面函数表达的是把一个链表前指向和后指向向联，这样其本身就在链表之外，因此就被断开链表
#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
}

static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    entry->next = LIST_POISON1;
    entry->prev = LIST_POISON2;
}
#else
extern void __list_del_entry(struct list_head *entry);
extern void list_del(struct list_head *entry);
#endif

//new替换old所在链表中old的位置，但old本身还前后指向还指向以前的位置

static inline void list_replace(struct list_head *old,
                struct list_head *new)
{
    new->next = old->next;
    new->next->prev = new;
    new->prev = old->prev;
    new->prev->next = new;
}

//new替换old所在链表中old的位置，并使old之心其自身

static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
                    struct list_head *new)
{
    list_replace(old, new);
    INIT_LIST_HEAD(old);
}

//把entry指向链表节点从所在的链表中断开，且使其前后向指向其自身

static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del_entry(entry);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}

//把list中其自身链表中断开并联入到head所在链表

static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
__list_del_entry(list);
list_add(list, head);
}

//和上面函数相同，只是加入前后位置相反

static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
                struct list_head *head)
{
    __list_del_entry(list);
    list_add_tail(list, head);
}

//判断list是否是以head为起始的链表未节点

static inline int list_is_last(const struct list_head *list,
const struct list_head *head)
{
return list->next == head;
}

//判断一个链表是否为空

static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
return head->next == head;
}

//严谨判断链表空，对前后指向都做判断

static inline int list_empty_careful(const struct list_head *head)
{
struct list_head *next = head->next;
return (next == head) && (next == head->prev);
}

//在链表不为空的情况下，把head的next指向移到head->prev和head之间

static inline void list_rotate_left(struct list_head *head)
{
    struct list_head *first;

    if (!list_empty(head)) {
        first = head->next;
        list_move_tail(first, head);
    }
}

//判断链表是否只有一个节点

static inline int list_is_singular(const struct list_head *head)
{
return !list_empty(head) && (head->next == head->prev);
}