前言

上回，我们说到Linux内核中max()宏的终极奥义，Linux内核链表也不甘示弱，那么接下来，让我们看看Linux内核中的链表大招。

如何放出Linux内核中的链表大招

前言
一、链表简介
- （1）单链表
- （2）双链表
- （3）循环链表
二、Linux内核中的链表数据结构
- 1、内核链表的定义
- 2、内核链表的使用
- - （1）声明和起始化
  - （2）插入链表
  - （3）删除链表

一、链表简介

链表（Linked list）是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在每一个节点里存到下一个节点的指针(Pointer)。由于不必须按顺序存储，链表在插入的时候可以达到O(1)的复杂度，比另一种线性表顺序表快得多，但是查找一个节点或者访问特定编号的节点则需要O(n)的时间，而顺序表相应的时间复杂度分别是O(logn)和O(1)。
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，链表又可以分为单链表、双链表、循环链表等多种类型，下面分别给出这几类常见链表类型的示意图：

（1）单链表

单链表（又名单向链表、线性链表）是链表的一种，其特点是链表的链接方向是单向的，对链表的访问要通过从头部开始，依序往下读取。

（2）双链表

双链表，又称为双向链表，是链表的一种，它的每个数据结点中都有两个指针，分别指向直接后继和直接前驱。所以，从双向链表中的任意一个结点开始，都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点。
双链表设计前驱和后继两个指针域，双链表可以从两个方向遍历，这是它区别于单链表的地方。如果打乱前驱、后继的依赖关系，就可以构成"二叉树"；如果再让首节点的前驱指向链表尾节点、尾节点的后继指向首节点，就构成了循环链表；如果设计更多的指针域，就可以构成各种复杂的树状数据结构。

（3）循环链表

循环链表是一种链式存储结构，它的最后一个结点指向头结点，形成一个环。因此，从循环链表中的任何一个结点出发都能找到任何其他结点。
这里给出了双循环链表的示意图，它的特点是从任意一个节点出发，沿两个方向的任何一个，都能找到链表中的任意一个数据。如果去掉前驱指针，就是单循环链表。

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。这些链表大多被定义在/include/linux/list.h中，从而来实现各种较为复杂的数据结构。接下来，我们介绍一下在Linux内核中，链表的实现和操作。

二、Linux内核中的链表数据结构

1、内核链表的定义

在传统的数据结构课本中，链表的经典定义方式是这样的：

struct node{ElemType data;struct node *next;
};

因为ElemType的缘故，对每一种数据项类型都需要定义各自的链表结构，如果要用到大量不同类型的数据结构，就略显麻烦。
那么在Linux内核源代码中，链表是如何定义的呢？请看：

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

这就是内核中链表的定义方式，以版本3.18.43为例，它位于：

linux-3.18.43/include/linux/type.h

list_head结构包含两个指向list_head结构的指针prev和next，由此可见，内核的链表具备双链表功能，但其没有数据域。在Linux内核链表中，用链表组织的数据结构通常会包含一个struct list_head成员，例如：

struct mylist{ElemType data;struct list_head list;
};

这种通用的链表结构避免了为每个数据项类型定义自己链表的麻烦，也充分体现了Linux内核代码的智慧。

2、内核链表的使用

（1）声明和起始化

实际上Linux内核中只定义了链表节点，并没有专门定义链表头，那么一个链表结构是如何建立起来的呢？让我们来看看include/linux/list.h中的这个宏：

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

其中，LIST_HEAD_INIT(name)宏表示仅初始化内核链表，LIST_HEAD(name)宏表示声明并初始化内核链表，用法举例：

struct mylist{ElemType data;struct list_head list;
};
struct mylist mylist_head;
LIST_HEAD(mylist_head);

上面代码表示申明并初始化自己的链表头mylist_head，此时mylist_head的next、prev指针都初始化为指向自己，这样就形成了一个内核空链表，那么如何判断链表是否为空呢？且看内核中的这个宏：

/*** list_empty - tests whether a list is empty* @head: the list to test.*/
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{return head->next == head;
}

由此观之，Linux是用头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空。

基本的list_empty()仅以头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空，Linux链表另行提供了一个list_empty_careful()宏，它同时判断头指针的next和prev，仅当两者都指向自己时才返回真。这主要是为了应对多核cpu操作系统另外的cpu同时处理同一个链表而造成next、prev不一致的情况。但代码注释也有说明，这一安全保障能力有限，除非其他cpu的链表操作只有list_del_init()，否则仍然不能保证安全，也就是说，还是需要加锁保护，内核源码如下：

/*** list_empty_careful - tests whether a list is empty and not being modified* @head: the list to test** Description:* tests whether a list is empty _and_ checks that no other CPU might be* in the process of modifying either member (next or prev)** NOTE: using list_empty_careful() without synchronization* can only be safe if the only activity that can happen* to the list entry is list_del_init(). Eg. it cannot be used* if another CPU could re-list_add() it.*/
static inline int list_empty_careful(const struct list_head *head)
{struct list_head *next = head->next;return (next == head) && (next == head->prev);
}

（2）插入链表

内核链表的插入操作有两种，让我们来分别分析一下。
第一种是list_add()函数，也就是我们常说的头插法，作用是插入到head之后，且看内核源码：

/*** list_add - add a new entry* @new: new entry to be added* @head: list head to add it after** Insert a new entry after the specified head.* This is good for implementing stacks.*/
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head, head->next);
}

第二种是list_add_tail()，也就是我们常说的尾插法，作用是插入到head->prev之后，且看内核源码：

/*** list_add_tail - add a new entry* @new: new entry to be added* @head: list head to add it before** Insert a new entry before the specified head.* This is useful for implementing queues.*/
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head->prev, head);
}

那么__list_add()函数又是何方神圣，且看内核源码：

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;
}

其实，list_add和list_add_tail的区别并不大，因为Linux链表是循环链表，且表头的next、prev分别指向链表中的第一个和最末一个节点，Linux分别用：

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

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

就可以实现头插和尾插，用法举例：

list_add(&newnode1 -> list, &mylist_head.list);
list_add_tail(&newnode2 -> list, &mylist_head.list);

上面两行代码分别表示把新节点newnode1插入到mylist_head头结点的prev节点之后，把新节点newnode2插入到mylist_head头结点之后。

（3）删除链表

比较简单，直接上代码：

/** Delete a list entry by making the prev/next entries* point to each other.** This is only for internal list manipulation where we know* the prev/next entries already!*/
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{next->prev = prev;WRITE_ONCE(prev->next, next);
}/*** list_del - deletes entry from list.* @entry: the element to delete from the list.* Note: list_empty() on entry does not return true after this, the entry is* in an undefined state.*/
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{if (!__list_del_entry_valid(entry))return;__list_del(entry->prev, entry->next);
}static inline void list_del(struct list_head *entry)
{__list_del_entry(entry);entry->next = LIST_POISON1;entry->prev = LIST_POISON2;
}

未完待续…

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