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Linux中list_head结构体相关

2018年02月02日 基础知识 ⁄ 共 3385字 ⁄ 字号 Linux中list_head结构体相关已关闭评论

在Linux内核中,提供了一个用来创建双向循环链表的结构 list_head。虽然linux内核是用C语言写的,但是list_head的引入,使得内核数据结构也可以拥有面向对象的特性,通过使用操作list_head 的通用接口很容易实现代码的重用,有点类似于C++的继承机制。

下面就是kernel中的list_head结构定义:


struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

list_head是linux kernel中非常重要的一个结构体,是双向链表的数据结构体,为了减少浪费,众多链表都是用list_head以及其相关原语操作,list_head这个结构看起来怪怪的,它竟没有数据域!所以看到这个结构的人第一反应就是我们怎么访问数据?其实list_head不是拿来单独用的,它一般被嵌到其它结构中:

比如所有的进程是靠它串联在一起的,所有的inode也靠它串联在一起等等。

需要注意的一点是,头结点head是不使用的,这点需要注意。

使用list_head组织的链表的结构如下图所示:

list_head

list_head

特别注意的是,list_head中的指针存放的是另一个list_head的地址,而不是含有list_head结构的整个数据结构的地址;

举例如下:


struct file_node{

char c;

struct list_head node;

};

此时list_head就作为它的父结构中的一个成员了,当我们知道list_head的地址(指针)时,我们可以通过list.c提供的宏 list_entry 来获得它的父结构的地址。下面我们来看看list_entry的实现:(list_entry: 与container_of功能相同)


#define list_entry(ptr,type,member)\

container_of(ptr,type,member)

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

#define container_of(ptr,type,member) ( {\

const typeof( ((type*)0)->member ) *__mptr=(ptr);\

(type*)( (char*)__mptr - offsetof(type,member) );} )

这里涉及到三个宏,还是有点复杂的,我们一个一个来看:


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

我们知道 0 地址内容是不能访问的,但 0地址的地址我们还是可以访问的, 这里用到一个取址运算符

(TYPE *)0 它表示将 0地址强制转换为TYPE类型,((TYPE *)0)-> MEMBER 也就是从0址址找到TYPE 的成员MEMBER 。

我们结合上面的结构file_node来看

将实参代入 offset( struct file_node, node );最终将变成这样:

( (size_t) & ((struct file_node*)0)-> node );这样看的还是不很清楚,我们再变变:

struct file_node *p = NULL;

& p->node;

这样应该比较清楚了,即求 p 的成员 node的地址,只不过p 为0地址,从0地址开始算成员node的地址,也就是 成员 node 在结构体 struct file_node中的偏移量。offset宏就是算MEMBER在TYPE中的偏移量的。

我们再看第二个宏


#define container_of(ptr,type,member) ( {\

const typeof( ((type*)0)->member ) *__mptr=(ptr);\

(type*)( (char*)__mptr - offsetof(type,member) );} )

这个宏是由两个语句组成,最后container_of返回的结果就是第二个表达式的值。这里__mptr为中间变量,这就是list_head指针类型,它被初始化为ptr的值,而ptr就是当前所求的结构体中list_head节点的地址。为什么要用中间变量,这是考虑到安全性因素,如果传进来一个ptr++,所有ptr++放在一个表达式中会有副作用,像 (p++)+(p++)之类。

(char*)__mptr 之所以要强制类型转化为char是因为地址是以字节为单位的,而char的长度就是一个字节。

container_of的值是两个地址相减,

刚说了__mptr是结构体中list_head节点的地址,offset宏求的是list_head节点MEMBER在结构体TYPE中的偏移量,那么__mptr减去它所在结构体中的偏移量,就是结构体的地址。

所以list_entry(ptr,type,member)宏的功能就是,由结构体成员地址求结构体地址。其中ptr 是所求结构体中list_head成员指针,type是所求结构体类型,member是结构体list_head成员名。通过下图来总结一下:

list

list

 

列举一些双链表的常用操作:

双向链表的遍历——list_for_each


//注:这里prefetch 是gcc的一个优化选项,也可以不要

#define list_for_each(pos, head) \

for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \

pos = pos->next)

生成双向链表的头结点——LIST_HEAD()


//LIST_HEAD() -- 生成一个名为name的双向链表头节点

#define LIST_HEAD(name) \

struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)

{

list->next = list;

list->prev = list;

}

双向链表的插入操作 -- list_add()


//将new所代表的结构体插入head所管理的双向链表的头节点head之后: (即插入表头)

static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)

{

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

}

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;

}

从list中删除结点——list_del()


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(struct list_head * prev, struct list_head * next)

{

next->prev = prev;

prev->next = next;

}

判断链表是否为空(如果双向链表head为空则返回真,否则为假)——list_empty()


static inline int list_empty(const struct list_head *head)

{

return head->next == head;

}

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