Linux 中的链表list 和 hlist

前言

在网上发现关于此的文章转载到处都是。我也就不再做重复性的工作了，将我觉得重要的做下笔记就好了，整理下思路。

概况

链表是经典的组织有序数据的数据结构，是线性表的一种重要实现方式（另外一种是数组）。其基本思想是通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，达到有序组织数据的目的。相对于数组，链表具有更好的动态性，建立链表时无需预先知道数据总量，可以随机分配空间，可以高效地在链表中的任意位置实时插入或删除数据。链表的开销主要是访问的顺序性和组织链的空间损失。

通常链表数据结构至少应包含两个域：数据域和指针域，数据域用于存储数据，指针域用于建立与下一个节点的联系。按照指针域的组织以及各个节点之间的联系形式，链表有许多变种，如单链表，双链表，带头（尾）节点的链表，循环链表等。其中在参考文献中讨论相关各个结构的效率问题。

数组的特点 

1 .固定空间，并且空间连续 

2 .连续存储，支持随机访问 
3 .数据局部性好 

4 .插入删除节点开销比较大，要移动元素以维持随机访问的特性。 


所以，对于经常访问元素时，我们采用数组的方式来实现；如果是经常插入和删除元素时，我们采用链表来实现。 

单链表只能单向遍历，而双链表可以在链表的任意节点进行遍历全链表，但是也带来了内存的开销（小数据无所谓，当数据量大到一定程度，开销还是很可观的）。

图示中演示的是带头节点的链表，即浪费一个节点，换取插入与删除的一致性（不必判断链表插入时或删除后是否为空的情况）。

                                                 单链表示意图

                                  双链表示意图

Linux下的实现

在Linux 内核中使用了大量的链表结构来组织数据，包括设备列表以及各种功能模块中的数据组织。这些链表大多采用在 [include/linux/list.h] 实现的一个相当精彩的链表数据结构。

数据结构书上演示的程序，一般是节点中包含数据，定义如下

 

typedef int data_t ;
struct node
{
    struct node *next;
    struct node *priv;
    data_t data;//真实数据
}

但是在Linux 的实现中，节点与数据是分离的。 如果一个结构需要用到链表结构,直接包含链表hlist_head或list_head即可。如此在链表中链表头只需用一个struct list_head类型来表示即可，不管链表中节点的数据结构多么庞大，链表头只需要占4个字节或者8个字节。如下是Linux hlist 和list的定义。

/* *单链表 */ 
struct 
hlist_head { 
struct hlist_node * 
first; 
}; 
struct hlist_node { 

struct hlist_node * 
next, ** 
pprev; 
}; 


/* *双链表 */ 
struct list_head { 

struct list_head * 
next, ** 
prev; 
}; 

对于定义，我们或许更加习惯分开成为如下格式

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

注：hlist是单链表的实现 (h 代表 hash ，用在 hash 中 ) ， list 是双链表的实现（ task 等都有赖于该实现）

请注意hlist 的实现， prev 用到了二级指针，这种差异带来了相关插入删除等操作的不同（在后文分析）。图示给出了多个节点链接的情况（很多图示没有第一个节点的 pprev 域指向 first 的指针，请注意）。

在Linux 内核链表中，需要用链表组织起来的数据通常会包含一个struct list_head成员。

如参考文献1 中就给出了nf_sockopt_ops结构的示意图

struct nf_sockopt_ops的定义为

struct nf_sockopt_ops 
{ 
struct list_head 
list; 
u_int8_t pf; 
…… 
int 
( * 
set )( 
struct sock * sk, int optval, void 
__user * 
user, unsigned int len); 
…… 

int ( * compat_get)( struct sock 
* sk, 
int optval, 

void __user * user, int 
* len); 
…… 

struct module * owner; 
}; 

在nf_sockopt_ops开始的部分就有一个struct list_head list，注意不是指针（占用8 字节 @32 位机器上）。

对于RCU 的讨论请参考 《RCU 同步机制》

参考文献

《深入分析 Linux 内核链表》

注：该文章下的附件链接错误，真实的链接地址为

http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-chain/attachment.txt