Linux内核链表及list_entry解析
链表是一些包含数据的独立数据结构的集合,链表中的每一个节点通过链或者指针连接在一起。程序通过指针访问链表中的节点。链表一般分为单链表和双链表。
1.单链表
单链表中,每个节点包含指向下一个节点的指针。链表最有一个节点的指针字段值为NULL,表明链表后面不再有其它节点。下面是一张单链表的图:
对应的数据结构为:
- typedef struct NODE
- {
- int value;
- struct NODE *next;
- }Node;
2.双链表
在一个双链表中,每个节点都包含两个指针——指向前一个节点的指针和指向后一个节点的指针。这样的好处是我们可以从任何方向遍历双链表。
对应的节点数据类型为:
- typedef struct NODE
- {
- int value;
- struct NODE *fwd;
- struct NODE *bwd;
- }Node;
3.linux内核链表
此处以2.6.31.13内核版本作为分析基础。不同版本之间的区别不大。链表结构定义为(节选自include/linux/list.h):
- struct list_head {
- struct list_head *next, *prev;
- };
内核链表包含指向next和prev的指针,是一个双链表,不过不同于一般的双链表,内核链表不包含数据域,通常被用作双循环链表,当需要用到十字链表时,使用内核链表也很方便。
3.1 声明和初始化
linux内核提供了两种方式初始化链表。一种是使用LIST_HEAD()这个宏:
- #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
- #define LIST_HEAD(name) \
- struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
另外有一个内联函数用于运行时初始化:
- static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
- {
- list->next = list;
- list->prev = list;
- }
3.2 添加、删除
下面都是些很基本的操作,只要弄清楚了链表的原理,都很容易理解。
- /*
- * Insert a new entry between two known consecutive entries.
- *
- * This is only for internal list manipulation where we know
- * the prev/next entries already!
- */
- 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;
- }
- /**
- * 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);
- }
- /**
- * 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);
- }
- 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);
- entry->next = LIST_POISON1;
- entry->prev = LIST_POISON2;
- }
- static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
- {
- __list_del(entry->prev, entry->next);
- INIT_LIST_HEAD(entry);
- }
- static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
- {
- __list_del(list->prev, list->next);
- list_add(list, head);
- }
- static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
- struct list_head *head)
- {
- __list_del(list->prev, list->next);
- list_add_tail(list, head);
- }
- static inline int list_empty(const struct list_head *head)
- {
- return head->next == head;
- }
3.3 获取链表节点
linux链表中仅保存了list_head成员变量的地址,那么我们如何通过这个list_head的成员访问到它所有者节点的数据呢?linux提供了list_entry这个宏,ptr是指向该数据中list_head成员的指针,type是节点的类型,member是节点类型中list_head成员的变量名。
- /**
- * 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宏定义在include/linux/kernel.h
- /**
- * 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) );})
offsetof在include/linux/stddef.h中
- #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
获得节点对象指针的原理图如下所示:
((type *)0)->member,它将0地址强制转换为type结构的指针,再访问到type结构中的member成员。offsetof取得list_head成员msg_node相对于结构体的偏移量。将指向当前节点对象member的地址减去偏移量,就可以得到节点地址,再将它转成指向节点结构类型的指针。
linux链表的基本操作已经完成了,其它如链表遍历的操作可查看list.h源码,有很详细的说明。
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