内核中常用的双向链表数据结构（list_head）详解

1.什么是list_head结构

内核定义了list_head结构来实现链表结构。字段next和prev分别表示通用双向链表向前和向后的指针元素。list_head字段的指针中存放的是另一个list_head字段的地址，而不是含有list_head结构的整个数据结构地址

文件在include/linux/list.h

struct list_head {

　　struct list_head *next, *prev;

};

2.使用方法

大家看到list_head数据结构的定义可能会感觉很奇怪，怎么没有数据成员？参考上图，其实我们是把list_head插入到其他结构题中，充当链表中的链接部分。

内核为我们提供了操作这种数据结构的原语接口（即不能被中断的操作）

3.简要说明实现原理

struct file_node{

　　char c;

　　struct list_head node;

};

比如：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：

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;

}

4.举例说明（以下内容来自http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/02/2532240.html）

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include
"list.h"

struct int_node

{

    int val;

    struct list_head list;

};

int main()

{

    struct list_head head,*plist;

    struct int_node a,b,c;

    

    a.val
= 1;

    b.val
= 2;

    c.val
= 3;

    

    INIT_LIST_HEAD(&head);            //初始化链表头

    list_add_tail(&a.list,&head);    
//添加节点

    list_add_tail(&b.list,&head);

    list_add_tail(&c.list,&head);

    list_for_each(plist,&head)//遍历链表，打印结果

    {

        struct int_node
*node = list_entry(plist,struct int_node,list);//然后取得数据项，因此一般来说和list_for_each配合使用

        printf("val = %d\n",node->val);

    }//print 1 2 3

    printf("*******************************************\n");

    list_del_init(&b.list);           
//删除节点b

    list_for_each(plist,&head)         //重新遍历链表，打印结果

    {

        struct int_node
*node = list_entry(plist,struct int_node,list);

        printf("val = %d\n",node->val);

    }//print 1 3

    printf("*******************************************\n");

    struct int_node d,e;

    struct list_head head1;

    d.val
= 4;

    e.val
= 5;

    INIT_LIST_HEAD(&head1);            //重新建立链表，表头为head1

    list_add_tail(&d.list,&head1);

    list_add_tail(&e.list,&head1);

    list_splice(&head1,&head);       
//把两个链表进行连接

    list_for_each(plist,&head)

    {

        struct int_node
*node = list_entry(plist,struct int_node,list);

        printf("val = %d\n",node->val);

    }//print 4 5 1 3

    printf("*******************************************\n");

    if(!list_empty(&head))         
//判断链表是否为空

    {

        printf("the list is not empty!\n");

        

    }

    return 0;

}

输出结果如下：

val = 1

val = 2

val = 3

*******************************************

val = 1

val = 3

*******************************************

val = 4

val = 5

val = 1

val = 3

*******************************************

the list is not empty!