Linux内核中双向链表的经典实现

ゝ一世哀愁。 2022-12-19 11:58 142阅读 0赞

本文介绍的内容是Linux内核中双向链表的经典实现和用法。其中，也会涉及到Linux内核中非常常用的两个经典宏定义offsetof和container\_of。内容包括：

1.  Linux中的两个经典宏定义
2.  Linux中双向链表的经典实现

## 一、Linux中的两个经典宏定义 ##

倘若你查看过Linux Kernel的源码，那么你对 offsetof 和 container\_of 这两个宏应该不陌生。这两个宏最初是极客写出的，后来在Linux内核中被推广使用。

**1. offsetof**

1.1 offsetof介绍

定义：offsetof在linux内核的include/linux/stddef.h中定义。

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

说明：获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。  
(01) ( (TYPE \*)0 ) 将零转型为TYPE类型指针，即TYPE类型的指针的地址是0。  
(02) ((TYPE \*)0)->MEMBER 访问结构中的数据成员。  
(03) &( ( (TYPE *)0 )->MEMBER ) 取出数据成员的地址。由于TYPE的地址是0，这里获取到的地址就是相对MEMBER在TYPE中的偏移。  
(04) (size\_t)(&(((TYPE*)0)->MEMBER)) 结果转换类型。对于32位系统而言，size\_t是unsigned int类型；对于64位系统而言，size\_t是unsigned long类型。

1.2 offsetof示例  
代码(offset\_test.c)

#include <stdio.h>
      
     // 获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
     #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
    
    struct student
    { 
        char gender;
        int id;
        int age;
        char name[20];
     };
    
    void main()
     { 
        int gender_offset, id_offset, age_offset, name_offset;
     
         gender_offset = offsetof(struct student, gender);
         id_offset = offsetof(struct student, id);
         age_offset = offsetof(struct student, age);
         name_offset = offsetof(struct student, name);
        printf("gender_offset = %d\n", gender_offset);
        printf("id_offset = %d\n", id_offset);
        printf("age_offset = %d\n", age_offset);
        printf("name_offset = %d\n", name_offset);
    }

结果：

gender_offset = 0
    id_offset = 4
    age_offset = 8
    name_offset = 12

说明：简单说说"为什么id的偏移值是4，而不是1"。我的运行环境是linux系统，32位的x86架构。这就意味着cpu的数据总线宽度为32，每次能够读取4字节数据。gcc对代码进行处理的时候，是按照4字节对齐的。所以，即使gender是char(一个字节)类型，但是它仍然是4字节对齐的！

1.3 offsetof

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
TYPE是结构体，它代表"整体"；而MEMBER是成员，它是整体中的某一部分。  
将offsetof看作一个数学问题来看待，问题就相当简单了：已知’整体’和该整体中’某一个部分’，而计算该部分在整体中的偏移。

**2. container\_of**

2.1 container\_of介绍

定义：container\_of在linux内核的include/linux/kernel.h中定义。

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

说明：根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)“来获取指向整个结构体变量的指针。  
(01) typeof( ( (type \*)0)->member ) 取出member成员的变量类型。  
(02) const typeof( ((type \*)0)->member ) \*\_\_mptr = (ptr) 定义变量\_\_mptr指针，并将ptr赋值给\_\_mptr。经过这一步，\_\_mptr为member数据类型的常量指针，其指向ptr所指向的地址。  
(04) (char \*)\_\_mptr 将\_\_mptr转换为字节型指针。  
(05) offsetof(type,member)) 就是获取"member成员"在"结构体type"中的位置偏移。  
(06) (char \*)\_\_mptr - offsetof(type,member)) 就是用来获取"结构体type"的指针的起始地址（为char \*型指针）。  
(07) (type \*)( (char \*)\_\_mptr - offsetof(type,member) ) 就是将"char \*类型的结构体type的指针"转换为"type \*类型的结构体type的指针”。

2.2 container\_of示例  
代码(container\_test.c)

1 #include <stdio.h>
     2 #include <string.h>
     3 
     4 // 获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
     5 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
     6 
     7 // 根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针
     8 #define container_of(ptr, type, member) ({           \
     9     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
    10     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
    11 
    12 struct student
    13 { 
    14     char gender;
    15     int id;
    16     int age;
    17     char name[20];
    18 };
    19 
    20 void main()
    21 { 
    22     struct student stu;
    23     struct student *pstu;
    24 
    25     stu.gender = '1';
    26     stu.id = 9527;
    27     stu.age = 24;
    28     strcpy(stu.name, "zhouxingxing");
    29 
    30     // 根据"id地址" 获取 "结构体的地址"。
    31     pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);
    32 
    33     // 根据获取到的结构体student的地址，访问其它成员
    34     printf("gender= %c\n", pstu->gender);
    35     printf("age= %d\n", pstu->age);
    36     printf("name= %s\n", pstu->name);
    37 }

结果：

gender= 1
    age= 24
    name= zhouxingxing

2.3 container\_of

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

type是结构体，它代表"整体"；而member是成员，它是整体中的某一部分，而且member的地址是已知的。  
将offsetof看作一个数学问题来看待，问题就相当简单了：已知’整体’和该整体中’某一个部分’，要根据该部分的地址，计算出整体的地址。

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## 二、Linux中双向链表的经典实现 ##

**1. Linux中双向链表介绍**

Linux双向链表的定义主要涉及到两个文件：  
include/linux/types.h  
include/linux/list.h

Linux中双向链表的使用思想  
它是将双向链表节点嵌套在其它的结构体中；在遍历链表的时候，根据双链表节点的指针获取"它所在结构体的指针"，从而再获取数据。

我举个例子来说明，可能比较容易理解。假设存在一个社区中有很多人，每个人都有姓名和年龄。通过双向链表将人进行关联的模型图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

person代表人，它有name和age属性。为了通过双向链表对person进行链接，我们在person中添加了list\_head属性。通过list\_head，我们就将person关联起来了。

struct person 
    {  
        int age; 
        char name[20];
        struct list_head list; 
    };

**2. Linux中双向链表的源码分析**

(01). 节点定义

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

虽然名称list\_head，但是它既是双向链表的表头，也代表双向链表的节点。

(02). 初始化节点

#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的作用是定义表头(节点)：新建双向链表表头name，并设置name的前继节点和后继节点都是指向name本身。  
LIST\_HEAD\_INIT的作用是初始化节点：设置name节点的前继节点和后继节点都是指向name本身。  
INIT\_LIST\_HEAD和LIST\_HEAD\_INIT一样，是初始化节点：将list节点的前继节点和后继节点都是指向list本身。

(03). 添加节点

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);
    }

**list\_add(new, prev, next)的作用是添加节点：将new插入到prev和next之间。在linux中，以"**"开头的函数意味着是内核的内部接口，外部不应该调用该接口。  
list\_add(new, head)的作用是添加new节点：将new添加到head之后，是new称为head的后继节点。  
list\_add\_tail(new, head)的作用是添加new节点：将new添加到head之前，即将new添加到双链表的末尾。

(04). 删除节点

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);
    }
    
    static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
    { 
        __list_del(entry->prev, entry->next);
    }
    
    static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
    { 
        __list_del_entry(entry);
        INIT_LIST_HEAD(entry);
    }

\_\_list\_del(prev, next) 和\_\_list\_del\_entry(entry)都是linux内核的内部接口。  
\_\_list\_del(prev, next) 的作用是从双链表中删除prev和next之间的节点。  
\_\_list\_del\_entry(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点。

list\_del(entry) 和 list\_del\_init(entry)是linux内核的对外接口。  
list\_del(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点。  
list\_del\_init(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点，并将entry节点的前继节点和后继节点都指向entry本身。

(05). 替换节点

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

list\_replace(old, new)的作用是用new节点替换old节点。

(06). 判断双链表是否为空

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

list\_empty(head)的作用是判断双链表是否为空。它是通过区分"表头的后继节点"是不是"表头本身"来进行判断的。

(07). 获取节点

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

list\_entry(ptr, type, member) 实际上是调用的container\_of宏。  
它的作用是：根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针。

(08). 遍历节点

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

list\_for\_each(pos, head)和list\_for\_each\_safe(pos, n, head)的作用都是遍历链表。但是它们的用途不一样！  
list\_for\_each(pos, head)通常用于获取节点，而不能用到删除节点的场景。  
list\_for\_each\_safe(pos, n, head)通常删除节点的场景。

**3. Linux中双向链表的使用示例**

双向链表代码(list.h)

1 #ifndef _LIST_HEAD_H
      2 #define _LIST_HEAD_H
      3 
      4 // 双向链表节点
      5 struct list_head { 
      6     struct list_head *next, *prev;
      7 };
      8 
      9 // 初始化节点：设置name节点的前继节点和后继节点都是指向name本身。
     10 #define LIST_HEAD_INIT(name) {  &(name), &(name) }
     11 
     12 // 定义表头(节点)：新建双向链表表头name，并设置name的前继节点和后继节点都是指向name本身。
     13 #define LIST_HEAD(name) \
     14     struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
     15 
     16 // 初始化节点：将list节点的前继节点和后继节点都是指向list本身。
     17 static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
     18 { 
     19     list->next = list;
     20     list->prev = list;
     21 }
     22 
     23 // 添加节点：将new插入到prev和next之间。
     24 static inline void __list_add(struct list_head *new,
     25                   struct list_head *prev,
     26                   struct list_head *next)
     27 { 
     28     next->prev = new;
     29     new->next = next;
     30     new->prev = prev;
     31     prev->next = new;
     32 }
     33 
     34 // 添加new节点：将new添加到head之后，是new称为head的后继节点。
     35 static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
     36 { 
     37     __list_add(new, head, head->next);
     38 }
     39 
     40 // 添加new节点：将new添加到head之前，即将new添加到双链表的末尾。
     41 static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
     42 { 
     43     __list_add(new, head->prev, head);
     44 }
     45 
     46 // 从双链表中删除entry节点。
     47 static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
     48 { 
     49     next->prev = prev;
     50     prev->next = next;
     51 }
     52 
     53 // 从双链表中删除entry节点。
     54 static inline void list_del(struct list_head *entry)
     55 { 
     56     __list_del(entry->prev, entry->next);
     57 }
     58 
     59 // 从双链表中删除entry节点。
     60 static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
     61 { 
     62     __list_del(entry->prev, entry->next);
     63 }
     64 
     65 // 从双链表中删除entry节点，并将entry节点的前继节点和后继节点都指向entry本身。
     66 static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
     67 { 
     68     __list_del_entry(entry);
     69     INIT_LIST_HEAD(entry);
     70 }
     71 
     72 // 用new节点取代old节点
     73 static inline void list_replace(struct list_head *old,
     74                 struct list_head *new)
     75 { 
     76     new->next = old->next;
     77     new->next->prev = new;
     78     new->prev = old->prev;
     79     new->prev->next = new;
     80 }
     81 
     82 // 双链表是否为空
     83 static inline int list_empty(const struct list_head *head)
     84 { 
     85     return head->next == head;
     86 }
     87 
     88 // 获取"MEMBER成员"在"结构体TYPE"中的位置偏移
     89 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
     90 
     91 // 根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针
     92 #define container_of(ptr, type, member) ({           \
     93     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
     94     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
     95 
     96 // 遍历双向链表
     97 #define list_for_each(pos, head) \
     98     for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
     99 
    100 #define list_for_each_safe(pos, n, head) \
    101     for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
    102         pos = n, n = pos->next)
    103 
    104 #define list_entry(ptr, type, member) \
    105     container_of(ptr, type, member)
    106 
    107 #endif

双向链表测试代码(test.c)

1 #include <stdio.h> 
     2 #include <stdlib.h>
     3 #include <string.h>
     4 #include "list.h" 
     5 
     6 struct person 
     7 {  
     8     int age; 
     9     char name[20];
    10     struct list_head list; 
    11 };
    12 
    13 void main(int argc, char* argv[]) 
    14 {  
    15     struct person *pperson; 
    16     struct person person_head; 
    17     struct list_head *pos, *next; 
    18     int i;
    19 
    20     // 初始化双链表的表头 
    21     INIT_LIST_HEAD(&person_head.list); 
    22 
    23     // 添加节点
    24     for (i=0; i<5; i++)
    25     { 
    26         pperson = (struct person*)malloc(sizeof(struct person));
    27         pperson->age = (i+1)*10;
    28         sprintf(pperson->name, "%d", i+1);
    29         // 将节点链接到链表的末尾 
    30         // 如果想把节点链接到链表的表头后面，则使用 list_add
    31         list_add_tail(&(pperson->list), &(person_head.list));
    32     }
    33 
    34     // 遍历链表
    35     printf("==== 1st iterator d-link ====\n"); 
    36     list_for_each(pos, &person_head.list) 
    37     {  
    38         pperson = list_entry(pos, struct person, list); 
    39         printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age); 
    40     } 
    41 
    42     // 删除节点age为20的节点
    43     printf("==== delete node(age:20) ====\n");
    44     list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
    45     { 
    46         pperson = list_entry(pos, struct person, list);
    47         if(pperson->age == 20)
    48         { 
    49             list_del_init(pos);
    50             free(pperson);
    51         }
    52     }
    53 
    54     // 再次遍历链表
    55     printf("==== 2nd iterator d-link ====\n");
    56     list_for_each(pos, &person_head.list)
    57     { 
    58         pperson = list_entry(pos, struct person, list);
    59         printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age);
    60     }
    61 
    62     // 释放资源
    63     list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
    64     { 
    65         pperson = list_entry(pos, struct person, list); 
    66         list_del_init(pos); 
    67         free(pperson); 
    68     }
    69      
    70 }

运行结果：

==== 1st iterator d-link ====
    name:1 , age:10
    name:2 , age:20
    name:3 , age:30
    name:4 , age:40
    name:5 , age:50
    ==== delete node(age:20) ====
    ==== 2nd iterator d-link ====
    name:1 , age:10
    name:3 , age:30
    name:4 , age:40
    name:5 , age:50

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