Linux 内核list_head 学习（一）

在Linux内核中，提供了一个用来创建双向循环链表的结构 list_head。虽然linux内核是用C语言写的，但是list_head的引入，使得内核数据结构也可以拥有面向对象的特性，通过使用操作list_head 的通用接口很容易实现代码的重用，有点类似于C++的继承机制（希望有机会写篇文章研究一下C语言的面向对象机制）。下面就是kernel中的list_head结构定义：
struct list_head {
　　struct list_head *next, *prev;
};
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
需要注意的一点是，头结点head是不使用的，这点需要注意。
使用list_head组织的链表的结构如下图所示：
 



list_head这个结构看起来怪怪的，它竟没有数据域！所以看到这个结构的人第一反应就是我们怎么访问数据？
其实list_head不是拿来单独用的，它一般被嵌到其它结构中，如：
struct file_node{
　　char c;
　　struct list_head node;
};

此时list_head就作为它的父结构中的一个成员了，当我们知道list_head的地址（指针）时，我们可以通过list.c提供的宏 list_entry 来获得它的父结构的地址。下面我们来看看list_entry的实现:

#define list_entry(ptr,type,member)\
　　container_of(ptr,type,member)
 
#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) );} )
 
这里涉及到三个宏，还是有点复杂的，我们一个一个来看：
#define offsetof(TYPE,MEMBER) ( (size_t)& ((TYPE *)0）-> MEMBER )
我们知道 0 地址内容是不能访问的，但 0地址的地址我们还是可以访问的， 这里用到一个取址运算符
(TYPE *)0 它表示将 0地址强制转换为TYPE类型，((TYPE *)0）-> MEMBER 也就是从0址址找到TYPE 的成员MEMBER 。
我们结合上面的结构来看
struct file_node{
　　char c;
　　struct list_head node;
};
将实参代入 offset( struct file_node, node )；最终将变成这样：
( (size_t) & ((struct file_node*)0）-> node )；这样看的还是不很清楚，我们再变变：
struct file_node *p = NULL;
& p->node;
这样应该比较清楚了，即求 p 的成员 node的地址，只不过p 为0地址，从0地址开始算成员node的地址，也就是 成员 node 在结构体 struct file_node中的偏移量。offset宏就是算MEMBER在TYPE中的偏移量的。
我们再看第二个宏
#define container_of(ptr,type,member) ( {\
　　const typeof( ((type*)0)->member ) *__mptr=(ptr);\
　　(type*)( (char*)__mptr - offsetof(type,member) );} )
这个宏是由两个语句组成，最后container_of返回的结果就是第二个表达式的值。这里__mptr为中间变量，这就是list_head指针类型，它被初始化为ptr的值，而ptr就是当前所求的结构体中list_head节点的地址。为什么要用中间变量，这是考虑到安全性因素，如果传进来一个ptr++，所有ptr++放在一个表达式中会有副作用，像 (p++)+(p++)之类。
(char*)__mptr 之所以要强制类型转化为char是因为地址是以字节为单位的，而char的长度就是一个字节。
container_of的值是两个地址相减，
刚说了__mptr是结构体中list_head节点的地址，offset宏求的是list_head节点MEMBER在结构体TYPE中的偏移量，那么__mptr减去它所在结构体中的偏移量，就是结构体的地址。
所以list_entry(ptr,type,member)宏的功能就是，由结构体成员地址求结构体地址。其中ptr 是所求结构体中list_head成员指针，type是所求结构体类型，member是结构体list_head成员名。通过下图来总结一下：
 



 
继续列举一些双链表的常用操作：
双向链表的遍历——list_for_each
//注：这里prefetch 是gcc的一个优化选项，也可以不要
#define list_for_each(pos, head) \
         for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \
                 pos = pos->next)
 
生成双向链表的头结点——LIST_HEAD()
LIST_HEAD() -- 生成一个名为name的双向链表头节点
#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;
}
双向链表的插入操作 -- list_add()
将new所代表的结构体插入head所管理的双向链表的头节点head之后: （即插入表头）
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
　　__list_add(new, head, head->next);
}
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;
}
从list中删除结点——list_del()
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
　　__list_del(entry->prev, entry->next);
　　entry->next = LIST_POISON1;
　　entry->prev = LIST_POISON2;
}
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
　　next->prev = prev;
　　prev->next = next;
}
 
判断链表是否为空（如果双向链表head为空则返回真，否则为假）——list_empty()
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
　　return head->next == head;
}
 

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