Linux list解读

 Sam之前看2.4 kernel时，常看到List.也仔细看了一下，但现在长期没有看kernel,没有写程序，已经忘记了很多。今天又看一看并记录下来。 Linux Kernel中，常常需要使用双向链表。在~/include/linux/list.h中，就定义了双向链表和常用的function.链表头如下：struct list_head { struct list_head *next, *prev;}; 1.创建双向链表（doubly linked list）：INIT_LIST_HEAD( struct list_head *list )代码如下：static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list){ list->next = list; list->prev = list;}将List的头和尾都指向自身。2. 添加内容到双向链表：2.1: 平常的添加：2.1.1:将新项目添加到list的头部（head之后第一个位置）。注意，此处head是指此双向链表头。void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)将参数一（new）添加到head之后。它调用__list_add(new, head, head->next);也就是说，把new添加到head和head->next之间。static inline void __list_add(struct list_head *new,         struct list_head *prev,         struct list_head *next) //它只是将new添加到prev和next之间{ next->prev = new; new->next = next; new->prev = prev; prev->next = new;} 2.1.2：将新项目添加双向链表最后一个位置（也就是head的priv）。注意此处head表示list头。static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head){ __list_add(new, head->prev, head);}则将new添加到head->prev和head之间了。 2.2:读拷贝更新（rcu）模式的添加（smp_wmb() ）（请看背景知识）2.2.1: 将新项目加到以知的prev和next之间：static inline void __list_add_rcu(struct list_head * new,  struct list_head * prev, struct list_head * next){ new->next = next; new->prev = prev; smp_wmb(); next->prev = new; prev->next = new;}//此处注意：smp_wmb(); smp_wmb()防止编译器和CPU优化代码执行的顺序。在这里，smp_wmb保证在它之前的两行代码执行完了之后再执行后两行 2.2.2:将新项目添加到list的头部（head之后第一个位置）。注意，此处head是指此双向链表头。static inline void list_add_rcu(struct list_head *new, struct list_head *head){ __list_add_rcu(new, head, head->next);} 2.2.3：将新项目添加双向链表最后一个位置（也就是head的priv）。注意此处head表示list头。 static inline void list_add_tail_rcu(struct list_head *new,     struct list_head *head){ __list_add_rcu(new, head->prev, head);} 3. 从双向链表删除项目：3.1:基本删除函数：static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next){ next->prev = prev; prev->next = next;}//只是将前一个和后一个互指 3.2:删除指定项：static inline void list_del(struct list_head *entry){ __list_del(entry->prev, entry->next); entry->next = LIST_POISON1; entry->prev = LIST_POISON2;} 3.3: 安全的删除指定项：static inline void list_del_rcu(struct list_head *entry){ __list_del(entry->prev, entry->next); entry->prev = LIST_POISON2;}此处Sam并不很清楚怎么回事。 3.4：删除并初始化某一项：static inline void list_del_init(struct list_head *entry){ __list_del(entry->prev, entry->next); INIT_LIST_HEAD(entry);} 4.替换某项：4.1 使用new 替换 old: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;} 4.2 替换并初始化：static inline void list_replace_init(struct list_head *old,     struct list_head *new){ list_replace(old, new); INIT_LIST_HEAD(old);} 4.3：安全替换：static inline void list_replace_rcu(struct list_head *old,    struct list_head *new){ new->next = old->next; new->prev = old->prev; smp_wmb(); new->next->prev = new; new->prev->next = new; old->prev = LIST_POISON2;} 5. 移动项：5.1移动到头部static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head){ __list_del(list->prev, list->next); list_add(list, head);} 5.2移动到尾部 static inline void list_move_tail(struct list_head *list,      struct list_head *head){ __list_del(list->prev, list->next); list_add_tail(list, head);}6. 测试项目是否为最后一项：static inline int list_is_last(const struct list_head *list,    const struct list_head *head){ return list->next == head;}7. 测试list是否为空：static inline int list_empty(const struct list_head *head){ return head->next == head;}8. 两个链表连接起来：8.1：将list链表连接如head链表头部：static inline void __list_splice(struct list_head *list,     struct list_head *head){ struct list_head *first = list->next; struct list_head *last = list->prev; struct list_head *at = head->next; first->prev = head; head->next = first; last->next = at; at->prev = last;}8.2：连接static inline void list_splice(struct list_head *list, struct list_head *head){ if (!list_empty(list))  __list_splice(list, head);} 8.3：连接并初始化：将list连接到head头部，再将list初始化：static inline void list_splice_init(struct list_head *list,        struct list_head *head){ if (!list_empty(list)) {  __list_splice(list, head);  INIT_LIST_HEAD(list); }} 9.一些有用的宏：9.1得到 list_entry(ptr, type, member)简单的讲，这个宏的作用是：通过结构（type）中的某个变量(member)的指针（ptr）获取结构本身的指针.也就是说，type中包含一个成员变量member.且某个结构体实体中member的指针为ptr.则list_entry（）则返回的是：这个结构体实体的指针。 至于如何做到的，请看背景知识3---container_of。 9.2:list_first_entry(ptr, type, member)  得到ptr链表中下一个的struct的实体。 9.3:  list_for_each(pos, head)#define list_for_each(pos, head) / for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); /         pos = pos->next)它其实就是一个for循环，循环双向链表一圈。prefetch()是档案快取技术，不用深究。 下面几个宏与之类似：__list_for_each(pos, head)  //不用档案快取技术的循环list_for_each_prev(pos, head) //向前循环 9.4: list_for_each_entry(pos, head, member)这个宏是双向链表中最常用的，也是最有用的。表示从以head 为头的双向循环列表中，一个一个拿出包含此list项目的结构体（pos的类型），并放到pos中。#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))因为有上面list_entry()的铺垫，所以非常简单。参数一：pos就是一个结构体指针。这个结构体中会包含成员变量member.参数二：head就是一个双向链表头。参数三：pos结构体中的成员变量名。pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member)：pos得到双向链表中第一个链表被包含的结构体实体。&pos->member != (head)：此结构体中的链表不是头。pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member): pos得到双向链表中下一个结构体实体。  Linux kernel 中双向循环链表的使用：在Linux内核链表中，需要用链表组织起来的数据通常会包含一个struct list_head成员，结构都通过这个list成员组织在一个链表中。例如：在hid-core.c中，要组织一个report链表。 于是，首先使用1）INIT_LIST_HEAD（&device->report_enum[i].report_list）struct hid_report { struct list_head list; unsigned id;      unsigned type;      struct hid_field *field[HID_MAX_FIELDS];  unsigned maxfield;     unsigned size;      struct hid_device *device;   };这就是需要用链表组织起来的数据通常会包含一个struct list_head成员。 2）。list_add_tail(&report->list, &report_enum->report_list); 将report类型的项目添加到刚才初始化的list中。 3).list_for_each_entry(report, &hid->report_enum[HID_INPUT_REPORT].report_list, list)遍历 hid->report_enum[HID_INPUT_REPORT].report_list，从其中一个一个得到report.放到report中。   背景知识：背景知识一：typeof :typeof不是标准C的运算符，这是gcc的一个扩展.它与sizeof() 语义类似，sizeof(exp)代表返回exp长度。 则typeof(exp)返回的事exp类型。 例1：int a;typeof(&a) b;因为a 为int型。所以&a为int*.也就是说b 为int* 类型。 例2：typedef struct{int size;char t;} ngate, *pngate; typeof(((ngate *)0)->t) w;这其实就是表示，w 的类型为：ngate的t的类型。在这里0并不是真正的变量，可以把它理解为一个替代使用的符号。其意思更可以理解为一个被赋值了的变量，这个数可以不是0，，随便什么数字都可以。 背景知识二： offsetofkernel中定义如下：#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)与上面所以类似，（TYPE *）0 表示：0是指向TYPE的指针 。则 &（TYPE *）0->MEMBER 表示：TYPE类型的实体0的变量MEMBER的地址，因为从0开始，所以它的地址就成为offset. 再用size_t强制转换，就是从struct头到成员变量MEMBER的offset. 背景知识三：container_of(ptr, type, member)Kernel中如下定义：#define container_of(ptr, type, member) ({   / const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); / (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})（type *）0: 表明某个实体为type类型的。(（type *）0)->member表明这个实体的某个成员变量。typeof((（type *）0)->member) *__mptr 表明定了一个指向此成员变量类型 的指针。 offsetof(type,member)表明成员变量member到结构体类型type头的offset.(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) 则表明：返回的是一个指向type的指针，此指针指向一个type类型的实体。而参数ptr则是这个实体中的某一个成员变量位置。 背景知识四：RCU（Read-Copy Update）RCU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。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。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。