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深入理解linux内核list_head的实现 2012-07-17 17:37:01

分类： LINUX

前言：在linux源代码中有个头文件为list.h。很多linux下的源代码都会使用这个头文件，它里面定义

了一个结构,以及定义了和其相关的一组函数，这个结构是这样的：

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1.struct list_head{

1. struct list_head *next, *prev;

3.};

那么这个头文件又是有什么样的作用呢，这篇文章就是用来解释它的作用，虽然这是linux下的源代码，但对

于学习C语言的人来说，这是算法和平台没有什么关系。

一、双向链表

学习计算机的人都会开一门课程《数据结构》，里面都会有讲解双向链表的内容。

什么是双向链表，它看起来是这样的：

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1.struct dlist

2.{

1. int no;

2. void* data;

3. struct dlist *prev, *next;

6.};

他的图形结构图：

现在有几个结构体，它们是：

表示人的：

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1.struct person

2.{

1. int age;

2. int weight;

5.};

表示动物的：

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1.struct animal

2.{

1. int age;

2. int weight;

5.};

如果有一组filename变量和filedata变量，把它们存起来，我们会怎么做，当然就用数组了，但我们想使

用双向链表，让它们链接起来，那该怎么做，唯一可以做的就是给每个结构加如两个成员，如下：

表示人的：

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1.struct person

2.{

1. int age;

2. int weight;

3. struct person *next, *prev;

6.};

表示动物的：

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1.struct animal

2.{

1. int age;

2. int weight;

3. struct animal *next, *prev;

6.};

现在有一个人的一个链表的链头指针person_head （循环双向链表）和动物的链表的链头指针

ainimal_head ，我们要获得特定年龄和特定体重的人或动物（假设不考虑重叠），那么代码看起来可能是这样：

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1.struct person * get_percent(int age, int weight)

2.{

3.…....

1. struct person *p;

2. for(p = person_head->next; p != person_head; p=p->next)

3. {

4. if(p->age == age && p->weight == weight)

5. return p;

6. }

10.…...

11.}

那同理,要获得一个特定年龄和重量的动物的函数get_animal(int age, int weight)的代码也是和上面

的类似。

我们再回过头来看这两个结构，它们的指向前和指向后的指针其实都差不多，那把它们综合起来吧，所以看起

来如下面：

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1.struct list_head{

1. struct list_head *next, *prev;

3.};

表示人的：

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1.struct person{

1. int age;

2. int weight;

3. struct list_head list;

5.};

动物的：

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1.struct animal

2.{

1. int age;

2. int weight;

3. struct list_head list;

6.};

可能又会有些人会问了，struct list_head都不是struct persion和struct animal类型，怎么可以

做链表的指针呢？其实，无论是什么样的指针，它的大小都是一样的，32位的系统中，指针的大小都是32位

（即4个字节），只是不同类型的指针在解释的时候不一样而已，那么这个struct list_head又是怎么去

做这些结构的链表指针呢，那么就请看下一节吧：）。

二、struct list_head结构的操作

首先，让我们来看下和struct list_head有关的两个宏，它们定义在list.h文件中。

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1.#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

2.#define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

3.#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do {  

1. (ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \

5.} while (0)

这两个宏是用了定义双向链表的头节点的，定义一个双向链表的头节点，我们可以这样：

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1.struct list_head head;

2.LIST_HEAD_INIT(head);

又或者直接这样：

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1.LIST_HEAD(head);

这样，我们就定义并初始化了一个头节点。

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1.#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

就是用head的地址初始化其两个成员next和prev ，使其都指向自己。

我们再看下和其相关的几个函数，这些函数都作为内联函数也都定义list.h中，这里要说明一下linux源码

的一个风格，在下面的这些函数中以下划线开始的函数是给内部调用的函数，而以符开始的函数就是对外使用

的函数，这些函数一般都是调用以下划线开始的函数，或是说是对下划线开始的函数的封装。

2.1 增加节点的函数

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1.static inline void __list_add();

2.static inline void list_add();

3.static inline void list_add_tail();

其实看源代码是最好的讲解了，这里我再简单的讲一下。

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1./**

1. • __list_add - Insert a new entry between two known consecutive entries.
2. • @new:
3. • @prev:
4. • @next:
6. • This is only for internal list manipulation where we know the prev/next
7. • entries
8. */

10.static inline void __list_add(struct list_head * new,

1. struct list_head * prev, struct list_head * next)

12.{

1. next->prev = new;

2. new->next = next;

3. new->prev = prev;

4. prev->next = new;

17.}

18.//这个函数在prev和next间插入一个节点new。

20./**

1. • list_add - add a new entry
2. • @new: new entry to be added
3. • @head: list head to add it after
5. • Insert a new entry after the specified head.
6. • This is good for implementing stacks.
7. */

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1.static inline void list_add(struct list_head new, struct list_head head)

2.{

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

4.}

5.//这个函数在head节点后面插入new节点。

7./**

1. • list_add_tail - add a new entry
2. • @new: new entry to be added
3. • @head: list head to add it before
5. • Insert a new entry before the specified head.
6. • This is useful for implementing queues.
7. */

15.static inline void list_add_tail(struct list_head new, struct list_head head)

16.{

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

   18.}
   这个函数和上面的那个函数相反，它在head节点的前面插入new节点。

2.2 从链表中删除节点的函数

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1./**

1. • __list_del -
2. • @prev:
3. • @next:
5. • Delete a list entry by making the prev/next entries point to each other.
7. • This is only for internal list manipulation where we know the prev/next
8. • entries
9. */

11.static inline void __list_del(struct list_head * prev,

1. struct list_head * next)

13.{

1. next->prev = prev;

2. prev->next = next;

16.}

18./**

1. • list_del - deletes entry from list.
2. • @entry: the element to delete from the list.
3. • • Note: list_empty on entry does not return true after this, the entry is in
4. • an undefined state.
5. */

24.static inline void list_del(struct list_head *entry)

25.{

1. __list_del(entry->prev, entry->next);

27.}

29./**

1. • list_del_init - deletes entry from list and reinitialize it.
2. • @entry: the element to delete from the list.
3. */

33.static inline void list_del_init(struct list_head *entry)

34.{

1. __list_del(entry->prev, entry->next);

2. INIT_LIST_HEAD(entry);

37.}

这里简单说一下，list_del(struct list_head *entry)是从链表中删除entry节点。

list_del_init(struct list_head *entry) 不但从链表中删除节点，还把这个节点的向前向后指针都指

向自己，即初始化。

那么，我们怎么判断这个链表是不是空的呢！上面我说了，这里的双向链表都是有一个头节点，而我们上面看到，定义一个头节点时我们就初始化了，即它的prev和next指针都指向自己。所以这个函数是这样的。

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1./**

1. • list_empty - tests whether a list is empty
2. • @head: the list to test.
3. */

5.static inline int list_empty(struct list_head *head)

6.{

1. return head->next == head;

8.}

讲了这几个函数后，这又到了关键了，下面讲解的一个宏的定义就是对第一节中，我们所要说的为什么在一个

结构中加入struct list_head变量就把这个结构变成了双向链表呢，这其中的关键就是怎么通过这个

struct list_head变量来获取整个结构的变量，下面这个宏就为你解开答案：

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1./**

1. • list_entry - get the struct for this entry
2. • @ptr: the &struct list_head pointer.
3. • @type: the type of the struct this is embedded in.
4. • @member: the name of the list_struct within the struct.
5. */

7.#define list_entry(ptr, type, member)  

1. ((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)->member)))

乍一看下，不知道这个宏在说什么，没关系，我举个例子来为你一一解答 ：）

首先，我们还是用上面的结构：

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1.struct person

2.{

1. int age;

2. int weight;

3. struct list_head list;

6.};

我们一看到这样的结构就应该知道它定义了一个双向链表，下面来看下。

我们有一个指针：

struct list_head *pos;

现在有这个指针，我们怎么去获得这个指针所在的结构的变量（即是struct person变量，其实是struct

person指针）呢？看下面这样使用：

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1.struct person *one = list_entry(pos, struct person, list);

不明白是吧，展开一下 list_entry结构如下：

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1.((struct person )((char )(pos) - (unsigned long)(&((struct person *)0)->list)))

我慢慢的分解，首先分成两部分(char )(pos)减去(unsigned long)(&((struct person )0)-

list)然后转 成(struct person *)类型的指针。

(char )(pos)：是将pos由struct list_head转 成char* ，这个好理解。

(unsigned long)(&((struct person )0)->list)：先看最里面的(struct person )0)，它是把0

地址转 成struct person指针，然后(struct person *)0)->list就是指向list变量，之后是

&((struct person *)0)->list是取这个变量的地址，最后是(unsigned long)(&((struct person

*)0)->list)把这个变量的地址值变成一个整形数！

这么复杂啊，其实说白了，这个(unsigned long)(&((struct person *)0)->list)的意思就是取list

变量在struct person结构中的偏移量。

用个图形来说(unsigned long)(&((struct person *)0)->list，如下：

而(unsigned long)(&((struct person *)0)->list就是获取这个offset的值。

((char )(pos) - (unsigned long)(&((struct person )0)->list))

就是将pos指针往前移动offset位置，即是本来pos是struct list_head类型，它即是list。即是把

pos指针往struct person结构的头地址位置移动过去，如上图的pos和虚箭头。

当pos移到struct person结构头后就转 成(struct person *)指针，这样就可以得到struct person

*变量了。

所以我们再回到前面的句子

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1.struct person *one = list_entry(pos, struct person, list);

2.//就是由pos得到pos所在的结构的指针，动物就可以这样：

3.struct animal *one = list_entry(pos, struct animal, list);

下面我们再来看下和struct list_head相关的最后一个宏。

2.3 list_head 的遍历的宏

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1./**

1. • list_for_each - iterate over a list
2. • @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
3. • @head: the head for your list.
4. */

6.#define list_for_each(pos, head)  

1. for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

9./**

1. • list_for_each_safe - iterate over a list safe against removal of list entry
2. • @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
3. • @n: another &struct list_head to use as temporary storage
4. • @head: the head for your list.
5. */

15.#define list_for_each_safe(pos, n, head)  

1. for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \

2. pos = n, n = pos->next)

list_for_each(pos, head)是遍历整个head链表中的每个元素，每个元素都用pos指向。

list_for_each_safe(pos, n, head)是用于删除链表head中的元素，不是上面有删除链表元素的函数了

吗，为什么这里又要定义一个这样的宏呢。看下这个宏后面有个safe字，就是说用这个宏来删除是安全的，

直接用前面的那些删除函数是不安全的。这个怎么说呢，我们看下下面这个图，有三个元素a ，b ，c。

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1.list_for_each(pos, myhead)

2.{

1. if (pos == b)

3. ｛

5. list_del_init(pos);

6. //break;

7. }

9. 。。。

13.}

上面的算法是不安全的，因为当我们删除b后，如下图这样：

上删除pos即b后，list_for_each要移到下一个元素，还需要用pos来取得下一个元素，但pos的指向已

经改变，如果不直接退出而是在继续操作的话，就会出错了。

而 list_for_each_safe就不一样了，如果上面的代码改成这样：

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1.struct list_head pos, n;

2.list_for_each_safe(pos, n, myhead)

3.{

1. if (pos == b)

3. ｛

5. list_del_init(pos);

6. //break;

7. }

9. 。。。

14.}

这里我们使用了n作为一个临时的指针，当pos被删除后，还可以用n来获得下一个元素的位置。

说了那么多关于list_head的东西，下面应该总结一下，总结一下第一节想要解决的问题.

三、 总例

我用一个程序来说明在struct person中增加了struct list_head变量后怎么来操作这样的双向链表。

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1.#include <stdio.h>

2.#include "list.h"

4.struct person

5.{

1. int age;

3. int weight;

4. struct list_head list;

10.};

12.int main(int argc, char* argv[])

13.{

1. struct person *tmp;

2. struct list_head *pos, *n;

3. int age_i, weight_j;

5. // 定义并初始化一个链表头

6. struct person person_head;

7. INIT_LIST_HEAD(&person_head.list);

9. for(age_i = 10, weight_j = 35; age_i < 40; age_i += 5, weight_j += 5)

10. {

11. tmp =(struct person*)malloc(sizeof(struct person));

12. tmp->age = age_i;

13. tmp->weight = weight_j;

15. // 把这个节点链接到链表后面

16. // 这里因为每次的节点都是加在person_head的后面，所以先加进来的节点就在链表里的最

30.后面

2. // 打印的时候看到的顺序就是先加进来的就在最后面打印

3. list_add(&(tmp->list), &(person_head.list));

5. }

7. // 下面把这个链表中各个节点的值打印出来

8. printf("\n");

9. printf("=========== print the list ===============\n");

10. list_for_each(pos, &person_head.list)

11. {

12. // 这里我们用list_entry来取得pos所在的结构的指针

13. tmp = list_entry(pos, struct person, list);

14. printf("age:%d, weight: %d \n", tmp->age, tmp->weight);

15. }

16. printf("\n");

18. // 下面删除一个节点中，age为20的节点

19. printf("========== print list after delete a node which age is 20

50.==========\n");

1. list_for_each_safe(pos, n, &person_head.list)

2. {

4. tmp = list_entry(pos, struct person, list);

5. if(tmp->age == 20)

6. {

7. list_del_init(pos);

8. free(tmp);

9. }

11. }

13. list_for_each(pos, &person_head.list)

14. {

15. tmp = list_entry(pos, struct person, list);

16. printf("age:%d, weight: %d \n", tmp->age, tmp->weight);

17. }

19. // 释放资源

20. list_for_each_safe(pos, n, &person_head.list)

21. {

22. tmp = list_entry(pos, struct person, list);

23. list_del_init(pos);

24. free(tmp);

25. }

27. return 0;

78.}