Linux内核中双向链表的经典实现

概要

前面一章"介绍双向链表并给出了C/C++/Java三种实现"，本章继续对双向链表进行探讨，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

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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
", gender_offset);
    printf("id_offset = %d
", id_offset);
    printf("age_offset = %d
", age_offset);
    printf("name_offset = %d
", 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图解

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)

#include <stdio.h>
#include <string.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)

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

struct student
{
    char gender;
    int id;
    int age;
    char name[20];
};

void main()
{
    struct student stu;
    struct student *pstu;

    stu.gender = '1';
    stu.id = 9527;
    stu.age = 24;
    strcpy(stu.name, "zhouxingxing");

    // 根据"id地址" 获取 "结构体的地址"。
    pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);

    // 根据获取到的结构体student的地址，访问其它成员
    printf("gender= %c
", pstu->gender);
    printf("age= %d
", pstu->age);
    printf("name= %s
", pstu->name);
}

结果：

gender= 1
age= 24
name= zhouxingxing

2.3 container_of图解

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。

 

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：

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)

#ifndef _LIST_HEAD_H
#define _LIST_HEAD_H

// 双向链表节点
struct list_head {
    struct list_head *next, *prev;
};

// 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。
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

// 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。
#define LIST_HEAD(name) 
    struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

// 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。
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
    list->next = list;
    list->prev = list;
}

// 添加节点：将new插入到prev和next之间。
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;
}

// 添加new节点：将new添加到head之后，是new称为head的后继节点。
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head, head->next);
}

// 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。
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head->prev, head);
}

// 从双链表中删除entry节点。
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
    next->prev = prev;
    prev->next = next;
}

// 从双链表中删除entry节点。
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
}

// 从双链表中删除entry节点。
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
}

// 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。
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
    __list_del_entry(entry);
    INIT_LIST_HEAD(entry);
}

// 用new节点取代old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;
}

// 双链表是否为空
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}

// 获取"MEMBER成员"在"结构体TYPE"中的位置偏移
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

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

// 遍历双向链表
#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)

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

#endif

双向链表测试代码(test.c)

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "list.h" 

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

void main(int argc, char* argv[]) 
{ 
    struct person *pperson; 
    struct person person_head; 
    struct list_head *pos, *next; 
    int i;

    // 初始化双链表的表头 
    INIT_LIST_HEAD(&person_head.list); 

    // 添加节点
    for (i=0; i<5; i++)
    {
        pperson = (struct person*)malloc(sizeof(struct person));
        pperson->age = (i+1)*10;
        sprintf(pperson->name, "%d", i+1);
        // 将节点链接到链表的末尾 
        // 如果想把节点链接到链表的表头后面，则使用 list_add
        list_add_tail(&(pperson->list), &(person_head.list));
    }

    // 遍历链表
    printf("==== 1st iterator d-link ====
"); 
    list_for_each(pos, &person_head.list) 
    { 
        pperson = list_entry(pos, struct person, list); 
        printf("name:%-2s, age:%d
", pperson->name, pperson->age); 
    } 

    // 删除节点age为20的节点
    printf("==== delete node(age:20) ====
");
    list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
    {
        pperson = list_entry(pos, struct person, list);
        if(pperson->age == 20)
        {
            list_del_init(pos);
            free(pperson);
        }
    }

    // 再次遍历链表
    printf("==== 2nd iterator d-link ====
");
    list_for_each(pos, &person_head.list)
    {
        pperson = list_entry(pos, struct person, list);
        printf("name:%-2s, age:%d
", pperson->name, pperson->age);
    }

    // 释放资源
    list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
    {
        pperson = list_entry(pos, struct person, list); 
        list_del_init(pos); 
        free(pperson); 
    }
     
}

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