【内核数据结构】 内核链表分析

一、简单介绍：

        Linux中的链表使用两个指针。能够方便的构成双向链表。实际上。通常它都组织成双向循环链表。不同于数据结构书上的链表，这里的节点仅仅有链表指针。没有链表的数据。下边我将对内核中使用的 include/linux/list.h 进行函数说明和生动的图形解释。


二、函数：


我们先来看看

1. 链表数据结构 list_head 的定义：

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  1. struct list_head {  
  2.     struct list_head *next, *prev;  
  3. };  
【1】仅仅有前后节点指针，没有数据

2. 声明和初始化：有两种方法

①声明的时候初始化一个链表 LIST_HEAD 宏：

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  1. #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) } // 链表的pre和next指针都指向了节点自己的首地址  
  2.   
  3. #define LIST_HEAD(name)   
  4.     struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)  
②运行时初始化链表 INIT_LIST_HEAD 函数：

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  1. static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)  
  2. {  
  3.     list->next = list;  
  4.     list->prev = list;  
  5. }  

注意：

此处说的声明的时候简单的理解为不在函数内部，而运行时指的就是在函数内部了

图形：



3. 插入/删除/合并

a) 插入

对链表的插入操作有两种：

在表头插入 list_add函数 和

在表尾插入 list_add_tail函数：

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  1. static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) // new：要加入的新的链表的首地址，head：链表的中的位置  
  2. {  
  3.     __list_add(new, head, head->next);  
  4. }  
  5. static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)  
  6. {  
  7.     __list_add(new, head->prev, head);  
  8. }  
能够看到他们调用了同样的 __list_add 函数：

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  1. static inline void __list_add(struct list_head *new,  
  2.                   struct list_head *prev,  
  3.                   struct list_head *next)  
  4. {  
  5.     next->prev = new;  
  6.     new->next = next;  
  7.     new->prev = prev;  
  8.     prev->next = new;  
  9. }  
【1】对于这个函数。他是将list_add和list_add_tail的共性的部分抽离了出来，给我们分析非常大的障碍，我们仅仅分析 list_add 和 list_add_tail 函数


图形：

  • list_add 部分：

网络上的一张图更全面的展示了在使用中的链表的结构：



  • list_add_tail 部分：


绘图总结：

【1】上边图形的画法中，要前两步划在外边沿

【2】对list链表的头和尾的高速记忆的方法，我们能够看待内核中的链表为 向右行驶的贪吃蛇


b) 删除

对链表的删除操作函数有两种：

list_del函数和

list_del_init函数：

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  1. static inline void list_del(struct list_head *entry) // entry：要删除的链表的首地址  
  2. {  
  3.     __list_del(entry->prev, entry->next); // 这不就是 __list_del_entry(entry) 吗！！  
  4.     entry->next = LIST_POISON1;  
  5.     entry->prev = LIST_POISON2;  
  6. }  
  7. static inline void list_del_init(struct list_head *entry)  
  8. {  
  9.     __list_del_entry(entry);  
  10.     INIT_LIST_HEAD(entry); // 运行中初始化链表节点  
  11. }  
  12. static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)  
  13. {  
  14.     __list_del(entry->prev, entry->next);  
  15. }  
【1】list_del函数中entry的next和prev指针指向了LIST_POISON1和LIST_POISON2位置。对他们进行訪问都将引起页故障，保护不在链表中的节点项不可訪问

他们调用了同样的 __list_del 函数：

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  1. static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)  
  2. {  
  3.     next->prev = prev;  
  4.     prev->next = next;  
  5. }  

图形：

我们来删除有3个元素的链表的中间的一个：list_del(&new)

list_del_init 函数不再绘图。唯一的不同是把删除下来的图的next和prev指针指向了自己的首地址


c) 替换

对链表的替换操作有两个：

list_replace函数和

list_replace_init函数：

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  1. static inline void list_replace(struct list_head *old,  
  2.                 struct list_head *new)  
  3. {  
  4.     new->next = old->next;  
  5.     new->next->prev = new;  
  6.     new->prev = old->prev;  
  7.     new->prev->next = new;  
  8. }  
  9.   
  10. static inline void list_replace_init(struct list_head *old,  
  11.                     struct list_head *new)  
  12. {  
  13.     list_replace(old, new);  
  14.     INIT_LIST_HEAD(old);  
  15. }  
图形：

list_replace_init函数的图形此处也不再画


d) 搬移

搬移的含义是将原本属于一个链表的节点移动到还有一个链表的操作。有两个函数：

list_move函数和

list_move_tail函数：

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  1. /** 
  2.  * list_move - 把从一个链表上删除的节点加入到另外的一个链表的头部 
  3.  * @list: 我们要移动的节点 
  4.  * @head: 要移动到的另外的一个链表头 
  5.  */  
  6. static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)  
  7. {  
  8.     __list_del_entry(list);  
  9.     list_add(list, head);  
  10. }  
  11.   
  12. /** 
  13.  * list_move_tail - 加入到另外的一个链表的尾部 
  14.  * @list: the entry to move 
  15.  * @head: the head that will follow our entry 
  16.  */  
  17. static inline void list_move_tail(struct list_head *list,  
  18.                   struct list_head *head)  
  19. {  
  20.     __list_del_entry(list);  
  21.     list_add_tail(list, head);  
  22. }  

图形：



e) 合并

合并在这里的意思就是合并了，是将两个独立的链表合并成为一个链表，合并的时候依据合并的位置的不同能够分为：

合并到头部的 list_splice函数和

合并到尾部的 list_splice_tail函数：（这两个函数有推荐使用的函数）

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  1. /** 
  2.  * list_splice - join two lists, this is designed for stacks 
  3.  * @list: the new list to add. 
  4.  * @head: the place to add it in the first list. 
  5.  */  
  6. static inline void list_splice(const struct list_head *list,  
  7.                 struct list_head *head)  
  8. {  
  9.     if (!list_empty(list))  
  10.         __list_splice(list, head, head->next);  
  11. }  
  12. /** 
  13.  * list_splice_tail - join two lists, each list being a queue 
  14.  * @list: the new list to add. 
  15.  * @head: the place to add it in the first list. 
  16.  */  
  17. static inline void list_splice_tail(struct list_head *list,  
  18.                 struct list_head *head)  
  19. {  
  20.     if (!list_empty(list))  
  21.         __list_splice(list, head->prev, head);  
  22. }  
  23. static inline void list_splice_init(struct list_head *list, // 推荐使用，防止混乱  
  24.                     struct list_head *head)  
  25. {  
  26.     if (!list_empty(list)) {  
  27.         __list_splice(list, head, head->next);  
  28.         INIT_LIST_HEAD(list);                   <--- 跟list_splice唯一的不同  
  29.     }  
  30. }  
  31. static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list, // 推荐使用，防止混乱  
  32.                      struct list_head *head)  
  33. {  
  34.     if (!list_empty(list)) {  
  35.         __list_splice(list, head->prev, head);  
  36.         INIT_LIST_HEAD(list);                   <--- 跟list_splice_tail_init唯一的不同  
  37.     }  
  38. }  
  39. static inline void __list_splice(const struct list_head *list,  
  40.                  struct list_head *prev,  
  41.                  struct list_head *next)  
  42. {  
  43.     struct list_head *first = list->next;  
  44.     struct list_head *last = list->prev;  
  45.   
  46.     first->prev = prev;  
  47.     prev->next = first;  
  48.   
  49.     last->next = next;  
  50.     next->prev = last;  
  51. }  

图形：


这张图尽管画出来了，比起看程序。尽管好点。可是理解起来还是有非常大的问题，此处就借鉴别人的一张图来说明这个list_splice函数实现了什么：


        链表合并list_splice(&list1,&list2) （此图片引自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-chain/）

对于这张图的说明例如以下：

        假设当前有两个链表，表头各自是list1和list2（都是struct list_head变量），当调用list_splice(&list1,&list2)时。仅仅要list1非空，list1链表的内容将被挂接在list2链表上，位于list2和list2.next（原list2表的第一个节点）之间。

新list2链表将以原list1表的第一个节点为首节点，而尾节点不变。


4. 找到链表中的数据

        前边提到的函数都是操作的链表节点的入口，可是对于我们真正有意义的是节点上的数据。链表的头上没有数据。其它的节点上都是带有数据的。怎样从一个链表节点的入口得到节点的数据呢？要用到下面的函数：

list_entry函数：

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  1. /** 
  2.  * list_entry - 获得含链表入口的结构体首地址 
  3.  * @ptr:    member的首地址 
  4.  * @type:   容器的类型 
  5.  * @member: 要得到他的容器的某个成员 
  6.  */  
  7. #define list_entry(ptr, type, member)   
  8.     container_of(ptr, type, member)  
  9.   
  10. #define container_of(ptr, type, member) ({            
  11.     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);   
  12.     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})  
  13.   
  14. #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) // 将数据结构体放到0地址处，天然的结构体中成员的首地址就是成员在结构体中的偏移量  

一个简单的样例：

main.c

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  1. #include <stdio.h>  
  2. #include "list.h"  
  3.   
  4. LIST_HEAD(device_list);  
  5.   
  6. typedef struct device_struct  
  7. {  
  8.     unsigned char *devname;  
  9.     struct list_head entry;  
  10. } device_struct_s;  
  11.   
  12. int main(int argc, const char *argv[])  
  13. {  
  14.     device_struct_s led;  
  15.     device_struct_s *led2;  
  16.   
  17.     led.devname = "led";  
  18.   
  19.     /* 加入到链表的前边 */  
  20.     list_add(&led.entry, &device_list);  
  21.   
  22.     /* 得到含有链表节点的数据结构体的首地址 */  
  23.     led2 = list_entry(device_list.next, device_struct_s, entry);  
  24.   
  25.     printf("led2.devname = %s ", led2->devname);  
  26.       
  27.     return 0;  
  28. }  
【1】list.h 你须要复制linux内核中的list.h头文件。而且把list_head的定义和其它须要包括进来的结构体或者宏包括进来，编译后运行的结果例如以下：

led2.devname = led


5. 遍历链表

对linux内核的遍历能够分为遍历链表和遍历链表中的结构体：

从头開始遍历链表。list_for_each宏，

从头開始遍历链表中的结构体，list_for_each_entry宏：

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  1. /** 
  2.  * list_for_each - 迭代/遍历 链表 
  3.  * @pos:    the &struct list_head to use as a loop cursor. 
  4.  * @head:   要遍历的链表头 
  5.  */  
  6. #define list_for_each(pos, head)   
  7.     for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)  
  8.   
  9.   
  10. /** 
  11.  * list_for_each_entry  - 遍历含链表节点入口的结构体 
  12.  * @pos:    the type * to use as a loop cursor. 
  13.  * @head:   要遍历的链表头 
  14.  * @member: 结构体中链表入口的名字 
  15.  */  
  16. #define list_for_each_entry(pos, head, member)                
  17.     for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);     
  18.          &pos->member != (head);       
  19.          pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))  

一个简单的样例：

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  1. #include <stdio.h>  
  2. #include "list.h"  
  3.   
  4. LIST_HEAD(device_list);  
  5.   
  6. typedef struct device_struct  
  7. {  
  8.     unsigned char *devname;  
  9.     struct list_head entry;  
  10. } device_struct_s;  
  11.   
  12. int main(int argc, const char *argv[])  
  13. {  
  14.     device_struct_s led, gpio, beep, *tmp;  
  15.   
  16.     led.devname = "led";  
  17.     gpio.devname = "gpio";  
  18.     beep.devname = "beep";  
  19.   
  20.     /* 一个一个往链表的前边加入 */  
  21.     list_add(&led.entry, &device_list);  
  22.     list_add(&gpio.entry, &device_list);  
  23.     list_add(&beep.entry, &device_list);  
  24.   
  25.     /* 1. 遍历链表的入口的首地值 */  
  26.     struct list_head *i;  
  27.     list_for_each(i, &device_list)  
  28.     {  
  29.         tmp = list_entry(i, device_struct_s, entry);  
  30.         printf("tmp.devname = %s ", tmp->devname);  
  31.     }  
  32.   
  33.     /* 2. 遍历含链表的入口的结构体的首地值 */  
  34.     device_struct_s *j;  
  35.     list_for_each_entry(j, &device_list, entry)  
  36.     {  
  37.         printf("j.devname = %s ", j->devname);  
  38.     }  
  39.   
  40.     return 0;  
  41. }  
【1】list.h 你须要复制linux内核中的list.h头文件，而且把list_head的定义和其它须要包括进来的结构体或者宏包括进来，编译后运行的结果例如以下：

tmp.devname = beep
tmp.devname = gpio
tmp.devname = led
j.devname = beep
j.devname = gpio
j.devname = led


另外：

  1. linux内核的链表中提供了反向遍历链表的宏list_for_each_prev和list_for_each_entry_reverse，他们各自是list_for_each和list_for_each_entry的反方向的实现。用法全然一样。
  2. 假设遍历不是从链表头開始，而是从已知的某个节点pos開始。则要使用list_for_each_entry_continue宏（用法同list_for_each_entry宏）。
  3. 假设想实现假设pos有值则从pos開始遍历。假设没有则从链表的头開始遍历，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參数，就能够满足这一要求。

我们将list_for_each_prev和list_for_each_entry_reverse的代码和运行结果也写下来：

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  1. printf("list_for_each_prev() ");  
  2. /* 3. 反向遍历链表的入口的首地值 */  
  3. struct list_head *k;  
  4. list_for_each_prev(k, &device_list)  
  5. {  
  6.     tmp = list_entry(k, device_struct_s, entry);  
  7.     printf("tmp.devname = %s ", tmp->devname);  
  8. }  
  9.   
  10. printf("list_for_each_reverse() ");  
  11. /* 4. 反向遍历含链表的入口的结构体的首地值 */  
  12. device_struct_s *g;  
  13. list_for_each_entry_reverse(g, &device_list, entry)  
  14. {  
  15.     printf("g.devname = %s ", g->devname);  
  16. }  

【1】此部分是在上边的main.c中实现的

【2】结合上边代码整个的运行结果例如以下：

list_for_each()
tmp.devname =beep
tmp.devname =gpio
tmp.devname =led
list_for_each_entry()
j.devname = beep
j.devname = gpio
j.devname = led
list_for_each_prev()   <--- 能够看到遍历结果是从尾部遍历到头部
tmp.devname = led
tmp.devname = gpio
tmp.devname = beep
list_for_each_reverse()   <--- 能够看到遍历结果是从尾部遍历到头部
g.devname = led
g.devname = gpio
g.devname = beep


6. 安全性

仅仅讲一点推断链表是不是为空：

list_empty宏：

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  1. static inline int list_empty(const struct list_head *head)  
  2. {  
  3.     return head->next == head;  
  4. }  

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