Linux内核数据结构——链表

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  • 简介
    • 单向链表
    • 双向链表
    • 环形链表
  • Linux内核中的链表实现
    • offsetof
    • container_of
      • container_of 第一部分
      • container_of 第二部分
    • 链表初始化
    • 向链表中增加一个节点
    • 删除节点
    • 移动节点
    • 判断链表是否为空
    • 遍历链表
  • Demo测试
    • mlisth
    • mlistc
    • 执行结果

简介

最近在学习Android Binder驱动程序实现的时候，发现里面的数据结构用到了struct list_head。而我google发现struct list_head是Linux内核实现的链表数据结构。本身我就对数据结构这块比较感兴趣，正好借这个机会学习一下Linux内核中链表的实现。（ps：主要是堆积代码，自我学习哈，大家吐槽请轻轻吐）。

链表是一种常用的组织有序数据的数据结构，它通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，是线性表的一种重要实现方式。链表和的静态数据的不同之处在于，它所包含的元素都是动态创建并插入链表的，在编译时不必知道具体需要创建多少个元素。另外，也因为链表中每个元素的创建时间各不相同，所以它们在内存中无须占用连续内存区。正是因为链表中的元素不连续存放，所以各元素需要通过某种方式被连接在一起。于是，每个元素都包含一个指向下一个元素的指针，当有元素加入链表或从链表中删除元素元素时，只需要简单的调整节点指针就可以了。

由于链表是一种非常基本的数据结构，我先简单介绍一下大学数据结构课本中是如何描述这种数据结构的。

单向链表

可以用一种最简单的数据结构来表示这样一个链表：

struct list_element {
    void *data; /*有效数据*/
    struct list_element *next; /*指向下一个元素的指针*/
};

下图描述了一个单链表结构：

双向链表

在有些链表中，每个元素还包含一个指向前一个元素的指针，因为它们可以同时向前或者向后相互连接，所以这种链表被称作双向链表。表示双向链表的数据结构如下：

struct list_element {
    void* data; /*有效数据*/
    struct list_element *next; /*指向下一个元素的指针*/
    struct list_element *prev; /*指向上一个元素的指针*/
};

下图描述了一个双向链表结构体：

环形链表

通常情况下，因为链表中最后一个元素不再有下一个元素，所以将链表尾元素中的后指针设置为NULL，以此证明它是链表中的最后一个元素。但是，在有些链表中，末尾元素并不指向特殊值，相反，它指回链表的首元素。并且，在环形双向链表中，首节点的前驱节点指向尾节点。

因为环形双向链表提供了最大的灵活性，所以Linux内核标准的链表就是环形双向链表。

Linux内核中的链表实现

在介绍Linux内核链表的源码实现之前，我们先来学习一下两个非常重要的宏：offsetof和container_of。

offsetof

它定义在include/linux/stddef.h中，其源码如下：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

解释一下这个宏的运行原理：

  1. ((TYPE *) 0)：将0转型为TYPE类型的指针。
  2. ((TYPE *)0)->MEMBER：访问结构中的数据成员。
  3. &((TYPE *)0)->MEMBER：取出数据成员的地址。
  4. （size_t）&((TYPE )0)->MEMBER：结果转换类型。巧妙之处在于将0转换为(TYPE )，以内存空间首地址0作为起始地址，则成员地址自然为偏移地址。

所以这个宏的作用是：计算TYPE类型中MEMBER成员的内存偏移量。

container_of

它定义在include/lunux/kernel.h中，其源码如下：

/**
 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
 * @ptr:    the pointer to the member.
 * @type:   the type of the container struct this is embedded in.
 * @member: the name of the member within the struct.
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member) ({          \
    const typeof(((type *)0)->member) * __mptr = (ptr);     (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })

这里需要简单的解释一下container_of宏。这个宏的作用很简单，就是通过一个容器（结构体）中某个成员的指针得到指向这个容器（结构体）的指针。这个宏的实现代码只有两行，我们逐行的分析一下container_of宏的实现。

container_of 第一部分

const typeof(((type *)0)->member)* __mptr = (ptr);

这里需要解释几点：

  1. typeof是GNU C对标准C的扩展，它的作用是根据变量获取变量类型。
  2. typeof获取了type结构体的member成员的变量类型，然后定义了一个指向该变量类型的指针__mptr，并将实际结构体该成员变量的指针的值赋值给__mptr。
  3. 通过这行代码，临时变量__mptr中保存了type结构体成员变量member在内存中分配的地址值。

container_of 第二部分

(type*)((char*)__mptr - offsetof(type, member));

这块代码是利用__mptr的地址，减去type结构体成员member相对于结构体首地址的偏移地址，得到的自然是结构体首地址，即该结构体指针。

链表初始化

Linux内核实现链表的方式可以说是独树一帜。简介中提到的链表数据结构，都是需要在具体数据的结构体内部增加一个指向数据的next（或者prev）节点指针，才能串联在链表中。但是，Linux的内核实现方式与众不同，它不是将整个数据结构塞入链表，而是将链表节点塞入数据结构。

链表代码在头文件include/linux/types.h中声明，其数据结构很简单：

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

next是指向下一个链表节点，prev是指向前一个链表节点。然而，这里似乎看不出它们有多大的作用。到底什么才是链表存储的具体内容呢？其实关键在于理解list_head结构是如何使用的。

接下来介绍一下链表头节点初始化的源码，定义在include/linux/list.h中：

/**
 * Simple doubly linked list implementation.
 *
 * Some of the internal functions ("__xxx") are useful when
 * manipulating whole lists rather than single entries, as
 * sometimes we already know the next/prev entries and we can
 * generate better code by using them directly rather than
 * using the generic single-entry routines.
 */

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

#define LIST_HEAD(name) \
    struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

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

LIST_HEAD宏创建一个链表头节点，并用LIST_HEAD_INIT宏对头节点进行赋值，使得头节点的前驱指针和后继指针均指向自己。

INIT_LIST_HEAD函数也是对链表头节点进行初始化，使得头节点list的前驱和后继指针均指向自己。

向链表中增加一个节点

/**
 * Insert a new entry between two known consecutive entries.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
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;
}

/**
 * list_add - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it after
 *
 * Insert a new entry after the specified head.
 * This is good for implementing stacks.
 */
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head, head->next);
}

/**
 * list_add_tail - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it before
 *
 * Insert a new entry before the specified head.
 * This is useful for implementing queues.
 */
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head->prev, head);
}

插入节点分为从链表头部插入list_add和从链表尾部插入list_add_tail，这两个函数均是通过调用__list_add函数来实现的。

删除节点

/**
 * Delete a list entry by making the prev/next entries
 * point to each other.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
    next->prev = prev;
    prev->next = next;
}

/**
 * list_del - deletes entry from list.
 * @entry: the element to delete from the list.
 * Note: list_empty() on entry does not return true after this, the entry is
 * in an undefined state.
 */
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    entry->next = LIST_POISON1;
    entry->prev = LIST_POISON2;
}

需要注意的是：该函数并没有接收list的头节点，它只是接受一个特定的需要删除的节点，并修改该特定节点的前后指针，这样该节点就从链表中删除了。

移动节点

/**
 * list_move - delete from one list and add as another‘s head
 * @list: the entry to move
 * @head: the head that will precede our entry
 */
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
    __list_del(list);
    list_add(list, head);
}

该函数从链表中先移除list节点，然后将其加入到一个以head节点为头节点的链表中。

/**
 * list_move_tail - delete from one list and add as another‘s tail
 * @list: the entry to move
 * @head: the head that will follow our entry
 */
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
                  struct list_head *head)
{
    __list_del(list);
    list_add_tail(list, head);
}

该函数从一个链表中移除list项，然后将其加入到以head为头节点的链表的末尾。

判断链表是否为空

/**
 * list_empty - tests whether a list is empty
 * @head: the list to test.
 */
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}

这个函数用来判断链表是否为空。

遍历链表

前面介绍了内核中如何初始化、插入、删除一个链表节点。但是，如果无法访问链表中的数据，那这些操作就没有任何意义。链表仅仅是一个能够包含重要数据的容器，我们必须利用链表移动并访问包含我们数据的结构体。

注意：链表操作的时间复杂度为O(1)，遍历链表的复杂度为O(n)，n是链表所包含的元素数目。

遍历链表最简单的方法是使用list_for_each()宏。

/**
 * list_for_each    -   iterate over a list
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @head:   the head for your list.
 */
#define list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

该宏使用了两个list_head类型参数，第一个参数用来指向当前项，这是一个你必须提供的临时变量，第二个参数是需要遍历的链表的头节点。每次遍历中，第一个参数在链表中不断移动指向下一个元素，直到链表中的所有元素都被访问为止。

但是，这里一个指向链表结构的指针通常是无用的，我们所需要的是一个指向包含list_head的结构体的指针。这时，我们就可以用之前讨论的container_of方法，来获取list_head所在的结构体的指针。

/**
 * list_entry - get the struct for this entry
 * @ptr:    the &struct list_head pointer.
 * @type:   the type of the struct this is embedded in.
 * @member: the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_entry(ptr, type, member) \
    container_of(ptr, type, member)

/**
 * list_for_each_entry  -   iterate over list of given type
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:   the head for your list.
 * @member: the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry(pos, head, member)              \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);           &pos->member != (head);             pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

Demo测试

这里我也编写一个简单的链表使用程序，参考了Linux 内核链表的实现。

mlist.h

#define POISON_POINTER_DELTA 0
#define LIST_POISON1 ((void *) 0x00100100 + POISON_POINTER_DELTA)
#define LIST_POISON2 ((void *) 0x00200200 + POISON_POINTER_DELTA)

#define offsetof(type, member) \
    (size_t)(&((type*)0)->member)

#define container_of(ptr, type, member) ({ \
    const typeof(((type *)0)->member)* __mptr = (ptr);     (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })

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

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

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

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

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

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

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

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

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

#define list_entry(ptr, type, member) \
    container_of(ptr, type, member)

#define list_first_entry(ptr, type, member) \
    list_entry((ptr)->next, type, member)

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

mlist.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "mlist.h"

struct fox {
    int tail_length;
    int weight;
    struct list_head list_node;
};

struct fox* create_fox(int length, int weight)
{
    struct fox* tmp_fox = (struct fox*)malloc(sizeof(struct fox));
    if (tmp_fox == NULL) {
        return NULL;
    }

    tmp_fox->tail_length = length;
    tmp_fox->weight = weight;

    return tmp_fox;
}

static inline void for_each_fox(const struct list_head* head)
{
    struct list_head *pos;
    struct fox *tmp_fox;

    list_for_each(pos, head) {
        tmp_fox = list_entry(pos, struct fox, list_node);
        printf("fox info: %d --- %d\n", tmp_fox->tail_length, tmp_fox->weight);
    }
}

int main()
{
    struct fox * fox_list = (struct fox *)malloc(sizeof(struct fox));
    struct fox * fox;

    if (fox_list == NULL) {
        printf("malloc failed!");
        return -1;
    }

    // 初始化链表头节点
    struct list_head *head = &(fox_list->list_node);
    INIT_LIST_HEAD(head);
    printf("初始化头节点完成!\n");

    // 插入4个fox
    fox = create_fox(100, 100);
    list_add_tail(&(fox->list_node), head);

    fox = create_fox(105, 105);
    list_add_tail(&(fox->list_node), head);

    fox = create_fox(110, 110);
    list_add_tail(&(fox->list_node), head);

    fox = create_fox(115, 115);
    list_add_tail(&(fox->list_node), head);
    printf("插入4个狐狸节点\n");

    // 遍历
    for_each_fox(head);

    // 移动节点
    list_move_tail(head->next, head);
    printf("将第一个节点移动到末尾\n");
    for_each_fox(head);

    // 删除节点
    list_del(head->next);
    printf("删除当前第一个节点\n");
    for_each_fox(head);

    return 0;
}

执行结果

执行结果如图所示：

时间： 2024-11-15 20:33:37

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