Linux内核链表的浅析和模拟

linux内核的链表设计非常独特。和通常的把数据结构装入链表不同，linux反其道而行之，把链表节点装入数据结构。这样的做法很好地实现了对数据的封装。并且为所有的链表操作提供了统一的接口。简单而高效。关于链表所有操作的函数都在/linux/list.h文件里

PS：由于list.h文件没有署名的注释，民间猜测内核的链表机制很有可能就是Linux Torvalds本人的作品

内核中的链表通常是一个双向循环链表，节点定义如下(linux/types.h)：

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

换句话说，这个节点就如同一个连接件，可以嵌入到任何数据结构中从而形成链表。当然它也可以独立存在作为一个链表的头。

这种设计方式让链表灵活了很多，比如可以在一个数据结构中插入两个list_head，使该结构同时存在于两个双链队列中，比如：内核中用于内存页面管理的page结构(mm.h)

typedef struct page{
     struct list_head list;
     struct list_head lru;
     ......
}

甚至用这种方式，可以把不同类型的结构串到一个链表里，在后面的测试程序中，我就演示了这样的例子。

这种设计方式还有一个最大的好处，内核中对链表中的所有操作（插入，删除，合并，遍历）都以list_head结构为参数，实现了统一的操作接口。

另一个问题随之而来，如何访问到每个节点的数据呢。且看linux精巧的设计：

由于在C中，一个结构中的变量偏移在编译时就被ABI固定下来，利用这一点，内核中的链表就可以通过list_head找到节点的入口，从而访问到节点中各个元素。

通过list.h中的宏list_entry实现：

/**
 * 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)

container_of 定义在kernel.h中

/**
 * 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) );})

注意：将__mptr转为char类型指针是为了在对其运算时，加减的单位为"1"。

offsetof定义在stddef.h中

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

返回成员MEMBER在结构TYPE中的偏移

简要解释下：

offsetof中，把0强制转换为结构的初始地址，然后对其成员取地址，所得的值即为该成员相对于结构入口的偏移。size_t是unsigned int类型，转换是为了便于后续计算。

container_of中，typeof是c语言关键字的一个新扩展，返回参数类型。该宏首先将ptr赋值给member类型的指针_mptr，然后用_mptr减去偏移，所得即为该节点的入口地址。

各种链表的操作接口，在list.h中定义，下面简要地罗列：

1、初始化链表：

linux没有链表头，使第一个节点的指针指向自己即完成初始化。

两种方式：1）

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

2）

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

相应地，链表判空，就看头的next是否指向自己：

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

2、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;
}

头尾添加，分别如下调用即可：

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

3、删除节点

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

4、搬移节点，把属于一个链表的节点移动到另一个链表

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

5 还有一些其他操作，比如合并两个链表：

static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
				 struct list_head *prev,
				 struct list_head *next)
{
	struct list_head *first = list->next;
	struct list_head *last = list->prev;

	first->prev = prev;
	prev->next = first;

	last->next = next;
	next->prev = last;
}

/**
 * list_splice - join two lists, this is designed for stacks
 * @list: the new list