[数据结构与算法]linux内核list

linux list详解

1 链表结构定义

首先

看链表的定义，位于：include\linux\types.h

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

一般将该数据结构嵌入到其他的数据结构中，从而使得内核可以通过链表的方式管理新的数据结构，比如struct device中：

struct device {
    struct device        *parent;

    struct device_private    *p;

    struct kobject kobj;
    ...
    struct list_head    devres_head;//嵌入的链表

    struct klist_node    knode_class;
    struct class        *class;
    const struct attribute_group **groups;    /* optional groups */

    void    (*release)(struct device *dev);
    struct iommu_group    *iommu_group;
}

?

2 链表的定义和初始化

有两种方式来定义和初始化链表头：

（1）利用宏LIST_HEAD

（2）利用宏LIST_HEAD_INIT

例如定义链表mylist：

方法1：定义并初始化链表

LIST_HEAD(mylist);

方法2：先定义再初始化链表

struct list_head mylist;??// 定义一个链表

INIT_LIST_HEAD(&mylist); // 用INIT_LIST_HEAD函数初始化链表。

看宏LIST_HEAD就知道就是用宏 INIT_LIST_HEAD

#define LIST_HEAD(name) \
    struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

再看宏INIT_LIST_HEAD的定义：

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

定义的mylist链表，宏展开就是

struct list_head mylist = { &(mylist), &(mylist) };

链表list_head结构只有两个成员：next和prev。next和prev都被赋值为链表mylist的地址，也就是说，链表初始化后next和prev都是指向自己的。

对于struct device 中嵌入的list成员devres_head的初始化如下这样：

struct device mydevice;
INIT_LIST_HEAD(&mydevice.list); //该函数简单地将list成员的prev和next指针指向自己。

所以链表结点在初始化时，就是将prev和next指向自己。对链表的初始化非常重要，因为如果使用一个未被初始化的链表结点，很有可能会导致内核异常。

3 list的操作：

对链表常用的操作，一般就是添加、删除、遍历等。内核还会有其他的操作，比如替换、移动等，但这些的操作一般都是以添加、删除等操作为基础完成的。

3.1 链表的添加

添加有两种：

（1）list_add?将一个新链表结点插入到一个已知结点的后面；

（2）list_add_tail?将一个新链表结点插入到一个已知结点的前面

看他们的定义：

/**
 * 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);
}

上面链表添加的两种方式是以不同的参数调用_list_add，看_list_add的定义：

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函数将new结点插入到prev结点和next之间。

（1）?list_add函数中以new、head、head->next为参数调用__list_add，将new结点插入到head和head->next之间，即是把new结点插入到已知结点head的后面。

?（2）list_add_tail函数则以new、head->prev、head为参数调用__list_add，将new结点插入到head->prev和head之间，即是把new结点插入到已知结点head的前面。

3.2 链表的删除

删除也是有两种方式：

（1）list_del 删除链表中的一个结点。

（2）list_del_init 删除链表中的一个结点，并初始化被删除的结点（使被删除的结点的prev和next都指向自己）；

分别看它们的定义：

static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    entry->next = LIST_POISON1;
    entry->prev = LIST_POISON2;
}

/**
 * list_del_init - deletes entry from list and reinitialize it.
 * @entry: the element to delete from the list.
 */
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
    __list_del_entry(entry);
    INIT_LIST_HEAD(entry);
}

_list_del_entry

static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
     __list_del(entry->prev, entry->next);
}

两者都是调用了_list_del，让prev结点和next结点互相指向。

/*
 * 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;
    prev->next = next;
}

（1）list_del?函数中以entry->prev和entry->next为参数调用__list_del函数，使得entry结点的前、后结点绕过entry直接互相指向，然后将entry结点的前后指针指向LIST_POISON1和LIST_POISON2，从而完成对entry结点的删除。此函数中的LIST_POISON1和LIST_POISON2是内核的处理定义如下。一般删除entry后，应该让entry的prev和next指向NULL的。

/*
 * These are non-NULL pointers that will result in page faults
 * under normal circumstances, used to verify that nobody uses
 * non-initialized list entries.
 */
#define LIST_POISON1  ((void *) 0x00100100 + POISON_POINTER_DELTA)
#define LIST_POISON2  ((void *) 0x00200200 + POISON_POINTER_DELTA)

（2）list_del_init?函数将entry结点删除后，与_list_del不同的是：还会对entry结点初始化，使entry结点的prev和next都指向其自己。

4 链表在内核中的应用

list_for_each_entry

首先看定义，位于：include\linux\list.h

/**
 * list_for_each_entry    -    iterate over list of given type
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry(pos, head, member)                \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);    \
         &pos->member != (head);     \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

实际上是一个 for 循环，用传入的 pos 作为循环变量，从表头 head 开始，逐项向后（next 方向）移动 pos，一直到回到head.。

（1）变量的初始化：pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member)，每次pos拿到的都是链表中一个成员，注意这个成员实际上是一个结构体

（2）执行条件? &pos->member != (head)，确定拿到的成员不是head，是head的话，表示list已遍历完。

（3）每循环一次执行 pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))，是pos指定链表中下一个成员，注意其实际上还是结构体

以上中用到typeof()，它是取变量的类型，这里是取指针pos所指向数据的类型。

4.1 看宏list_entry的定义：

/**
 * 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)

4.2 调用了container_of。

/**
 * 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) );})

container_of是根据一个结构体变量中的一个成员变量指针ptr，来获取指向这个结构体变量type的指针。member是结构体type中成员ptr的变量名。下面分解一步一步分析：

4.2.1 先分析第一句：const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);??

（1）(type *)0) 将0强转为一个地址，这个地址(0x0000)指向的是类型type的数据，就是指向结构体。当然，这只是个技巧，并不是真的在地址0x0000存放了数据。

（2）((type *)0)->member ：‘->’是指针指取结构体成员的操作。指针就是刚才通过0强转的地址，即结构体指针。相当于地址0x0000 是结构体类型type的首地址，通过->’取其中的成员变量member。

（3）typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr)：拿到了member成员的类型，然后定义一个指针变量__mptr，指向的类型就是结构体成员member的类型，初始化值为ptr。

4.2.2 再分析第二句：(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );

（1）offsetof(type,member) ： 定义如下：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

((TYPE *)0) ：将整型常量0强制转换为TYPE型的指针，即结构体类型。且这个指针指向的地址为0，也就是将地址0开始的一块存储空间映射为TYPE型的对象。

((TYPE *)0)->MEMBER ：指向结构体中MEMBER成员。

&((TYPE *)0)->MEMBER)：对结构体中MEMBER成员进行取址，而整个TYPE结构体的首地址是0，这里获得的地址就是MEMBER成员在TYPE中的相对偏移量。

(size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER：最后将这个偏移量强制转换成size_t型数据也就是无符号整型。? ?

所以offsetof的作用就是求出结构体成员变量member在结构体中的偏移量。

（2）(char *)__mptr - offsetof(type,member)：member类型的指针减去member在结构体中的偏移量，就是结构体的起始位置，即指向结构体。

至此综上所述，list_entry 也就是container_of的作用就是：根据结构体中的成员变量和此变量的指针，拿到结构体的指针。

4.3 再回到list_for_each_entry

#define list_for_each_entry(pos, head, member)                \
     for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);    \//链表中的成员也是结构体，根据结构体成员head->next获取此链表成员
          &pos->member != (head);     \                             //确认此时拿到的链表成员不是链表的头成员
          pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))//获取链表中下一个成员结构体

list_for_each_entry在内核中的应用也很常见，通常用于遍历某一个链表。