深入分析 Linux操作系统的内核链表(三)

三、 链表操作接口

1. 声明和初始化

实际上 Linux 只定义了链表节点，并没有专门定义链表头，那么一个链表结构是如何建立起来的呢？让我们来看看 LIST_HEAD() 这个宏：

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

　　

当我们用 LIST_HEAD(nf_sockopts) 声明一个名为 nf_sockopts 的链表头时，它的 next、prev 指针都初始化为指向自己，这样，我们就有了一个空链表，因为Linux 用头指针的 next 是否指向自己来判断链表是否为空：

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

　　

除了用 LIST_HEAD() 宏在声明的时候初始化一个链表以外，Linux 还提供了一个 INIT_LIST_HEAD 宏用于运行时初始化链表：

#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { (ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); } while (0)

　　

我们用 INIT_LIST_HEAD(&nf_sockopts) 来使用它。

2. 插入/删除/合并

a) 插入

对链表的插入操作有两种：在表头插入和在表尾插入。Linux为此提供了两个接口：

static inline void list_add (struct list_head *new, struct list_head *head); static inline void list_add_tail (struct list_head *new, struct list_head *head);

　　

因为 Linux 链表是循环表，且表头的 next、prev 分别指向链表中的第一个和最末一个节点，所以，list_add 和 list_add_tail 的区别并不大，实际上，Linux 分别用

__list_add(new, head, head->next);

　　

和

__list_add(new, head->prev, head);

　　

来实现两个接口，可见，在表头插入是插入在 head 之后，而在表尾插入是插入在 head->prev 之后。

假设有一个新 nf_sockopt_ops 结构变量 new_sockopt 需要添加到 nf_sockopts 链表头，我们应当这样操作：

list_add(&new_sockopt.list, &nf_sockopts);

　　

从这里我们看出，nf_sockopts 链表中记录的并不是 new_sockopt 的地址，而是其中的 list 元素的地址。如何通过链表访问到 new_sockopt 呢？下面会有详细介绍。

b) 删除

static inline void list_del(struct list_head *entry);

　　

当我们需要删除 nf_sockopts 链表中添加的 new_sockopt 项时，我们这么操作：

　

list_del(&new_sockopt.list);

　

被剔除下来的 new_sockopt.list，prev、next 指针分别被设为 LIST_POSITION2 和 LIST_POSITION1 两个特殊值，这样设置是为了保证不在链表中的节点项不可访问--对 LIST_POSITION1 和 LIST_POSITION2 的访问都将引起页故障。与之相对应， list_del_init() 函数将节点从链表中解下来之后，调用 LIST_INIT_HEAD() 将节点置为空链状态。

c) 搬移

Linux 提供了将原本属于一个链表的节点移动到另一个链表的操作，并根据插入到新链表的位置分为两类：

static inline void list_move (struct list_head *list, struct list_head *head); static inline void list_move_tail (struct list_head *list, struct list_head *head);

　　

例如 list_move(&new_sockopt.list,&nf_sockopts) 会把 new_sockopt 从它所在的链表上删除，并将其再链入 nf_sockopts 的表头。

d) 合并

除了针对节点的插入、删除操作，Linux链表还提供了整个链表的插入功能：

static inline void list_splice (struct list_head *list, struct list_head *head);

　　

假设当前有两个链表，表头分别是 list1 和 list2（都是 struct list_head 变量），当调用 list_splice(&list1,&list2) 时，只要 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。如图（虚箭头为next指针）：

当 list1 被挂接到 list2 之后，作为原表头指针的 list1 的 next、prev 仍然指向原来的节点，为了避免引起混乱，Linux 提供了一个 list_splice_init() 函数：

static inline void list_splice_init (struct list_head *list, struct list_head *head);

　　

该函数在将 list 合并到 head 链表的基础上，调用 INIT_LIST_HEAD(list) 将 list 设置为空链。

3. 遍历

遍历是链表最经常的操作之一，为了方便核心应用遍历链表，Linux链表将遍历操作抽象成几个宏。在介绍遍历宏之前，我们先看看如何从链表中访问到我们真正需要的数据项。

a) 由链表节点到数据项变量

我们知道，Linux链表中仅保存了数据项结构中 list_head 成员变量的地址，那么我们如何通过这个 list_head 成员访问到作为它的所有者的节点数据呢？Linux 为此提供了一个 list_entry(ptr,type,member) 宏，其中ptr是指向该数据中 list_head 成员的指针，也就是存储在链表中的地址值，type 是数据项的类型，member 则是数据项类型定义中 list_head 成员的变量名，例如，我们要访问 nf_sockopts 链表中首个 nf_sockopt_ops
变量，则如此调用：

list_entry(nf_sockopts->next, struct nf_sockopt_ops, list);

　　

这里 "list" 正是 nf_sockopt_ops 结构中定义的用于链表操作的节点成员变量名。