Linux内核中双向链表的经典实现
概要
前面一章"介绍双向链表并给出了C/C++/Java三种实现"，本章继续对双向链表进行探讨，介绍的内容是Linux内核中双向链表的经典实现和用法。其中，也会涉及到Linux内核中非常常用的两个经典宏定义offsetof和container_of。内容包括：
1. Linux中的两个经典宏定义
2. Linux中双向链表的经典实现
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Linux中的两个经典宏定义
倘若你查看过Linux Kernel的源码，那么你对 offsetof 和 container_of 这两个宏应该不陌生。这两个宏最初是极客写出的，后来在Linux内核中被推广使用。
1. offsetof
1.1 offsetof介绍
定义：offsetof在linux内核的include/linux/stddef.h中定义。
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
说明：获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
(01) ( (TYPE *)0 ) 将零转型为TYPE类型指针，即TYPE类型的指针的地址是0。
(02) ((TYPE *)0)->MEMBER 访问结构中的数据成员。
(03) &( ( (TYPE *)0 )->MEMBER ) 取出数据成员的地址。由于TYPE的地址是0，这里获取到的地址就是相对MEMBER在TYPE中的偏移。
(04) (size_t)(&(((TYPE*)0)->MEMBER)) 结果转换类型。对于32位系统而言，size_t是unsigned int类型；对于64位系统而言，size_t是unsigned long类型。
1.2 offsetof示例
代码(offset_test.c)
1 #include <stdio.h>
2
3 // 获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
4 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
5
6 struct student
7 {
8 char gender;
9 int id;
10 int age;
11 char name[20];
12 };
13
14 void main()
15 {
16 int gender_offset, id_offset, age_offset, name_offset;
17
18 gender_offset = offsetof(struct student, gender);
19 id_offset = offsetof(struct student, id);
20 age_offset = offsetof(struct student, age);
21 name_offset = offsetof(struct student, name);
22
23 printf("gender_offset = %d\n", gender_offset);
24 printf("id_offset = %d\n", id_offset);
25 printf("age_offset = %d\n", age_offset);
26 printf("name_offset = %d\n", name_offset);
27 }
结果：
gender_offset = 0
id_offset = 4
age_offset = 8
name_offset = 12
说明：简单说说"为什么id的偏移值是4，而不是1"。我的运行环境是linux系统，32位的x86架构。这就意味着cpu的数据总线宽度为32，每次能够读取4字节数据。gcc对代码进行处理的时候，是按照4字节对齐的。所以，即使gender是char(一个字节)类型，但是它仍然是4字节对齐的！
1.3 offsetof图解
TYPE是结构体，它代表"整体"；而MEMBER是成员，它是整体中的某一部分。
将offsetof看作一个数学问题来看待，问题就相当简单了：已知'整体'和该整体中'某一个部分'，而计算该部分在整体中的偏移。
2. container_of
2.1 container_of介绍
定义：container_of在linux内核的include/linux/kernel.h中定义。
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
说明：根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针。
(01) typeof( ( (type *)0)->member ) 取出member成员的变量类型。
(02)
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr)
定义变量__mptr指针，并将ptr赋值给__mptr。经过这一步，__mptr为member数据类型的常量指针，其指向ptr所指向的地址。
(04) (char *)__mptr 将__mptr转换为字节型指针。
(05) offsetof(type,member)) 就是获取"member成员"在"结构体type"中的位置偏移。
(06) (char *)__mptr - offsetof(type,member)) 就是用来获取"结构体type"的指针的起始地址（为char *型指针）。
(07) (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) ) 就是将"char *类型的结构体type的指针"转换为"type *类型的结构体type的指针"。
2.2 container_of示例
代码(container_test.c)
1 #include <stdio.h>
2 #include <string.h>
3
4 // 获得结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
5 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
6
7 // 根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针
8 #define container_of(ptr, type, member) ({ \
9 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
10 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
11
12 struct student
13 {
14 char gender;
15 int id;
16 int age;
17 char name[20];
18 };
19
20 void main()
21 {
22 struct student stu;
23 struct student *pstu;
24
25 stu.gender = '1';
26 stu.id = 9527;
27 stu.age = 24;
28 strcpy(stu.name, "zhouxingxing");
29
30 // 根据"id地址" 获取 "结构体的地址"。
31 pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);
32
33 // 根据获取到的结构体student的地址，访问其它成员
34 printf("gender= %c\n", pstu->gender);
35 printf("age= %d\n", pstu->age);
36 printf("name= %s\n", pstu->name);
37 }
结果：
gender= 1
age= 24
name= zhouxingxing
2.3 container_of图解
type是结构体，它代表"整体"；而member是成员，它是整体中的某一部分，而且member的地址是已知的。
将offsetof看作一个数学问题来看待，问题就相当简单了：已知'整体'和该整体中'某一个部分'，要根据该部分的地址，计算出整体的地址。
Linux中双向链表的经典实现
1. Linux中双向链表介绍
Linux双向链表的定义主要涉及到两个文件：
include/linux/types.h
include/linux/list.h
Linux中双向链表的使用思想
它是将双向链表节点嵌套在其它的结构体中；在遍历链表的时候，根据双链表节点的指针获取"它所在结构体的指针"，从而再获取数据。
我举个例子来说明，可能比较容易理解。假设存在一个社区中有很多人，每个人都有姓名和年龄。通过双向链表将人进行关联的模型图如下：
person代表人，它有name和age属性。为了通过双向链表对person进行链接，我们在person中添加了list_head属性。通过list_head，我们就将person关联起来了。
struct person
{
int age;
char name[20];
struct list_head list;
};
2. Linux中双向链表的源码分析
(01). 节点定义
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
虽然名称list_head，但是它既是双向链表的表头，也代表双向链表的节点。
(02). 初始化节点
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#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;
}
LIST_HEAD的作用是定义表头(节点)：新建双向链表表头name，并设置name的前继节点和后继节点都是指向name本身。
LIST_HEAD_INIT的作用是初始化节点：设置name节点的前继节点和后继节点都是指向name本身。
INIT_LIST_HEAD和LIST_HEAD_INIT一样，是初始化节点：将list节点的前继节点和后继节点都是指向list本身。
(03). 添加节点
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;
}
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head, head->next);
}
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head->prev, head);
}
__list_add(new, prev, next)的作用是添加节点：将new插入到prev和next之间。在linux中，以"__"开头的函数意味着是内核的内部接口，外部不应该调用该接口。
list_add(new, head)的作用是添加new节点：将new添加到head之后，是new称为head的后继节点。
list_add_tail(new, head)的作用是添加new节点：将new添加到head之前，即将new添加到双链表的末尾。
(04). 删除节点
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);
}
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry->prev, entry->next);
}
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del_entry(entry);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}
__list_del(prev, next) 和__list_del_entry(entry)都是linux内核的内部接口。
__list_del(prev, next) 的作用是从双链表中删除prev和next之间的节点。
__list_del_entry(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点。
list_del(entry) 和 list_del_init(entry)是linux内核的对外接口。
list_del(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点。
list_del_init(entry) 的作用是从双链表中删除entry节点，并将entry节点的前继节点和后继节点都指向entry本身。
(05). 替换节点
static inline void list_replace(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
new->next = old->next;
new->next->prev = new;
new->prev = old->prev;
new->prev->next = new;
}
list_replace(old, new)的作用是用new节点替换old节点。
(06). 判断双链表是否为空
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
return head->next == head;
}
list_empty(head)的作用是判断双链表是否为空。它是通过区分"表头的后继节点"是不是"表头本身"来进行判断的。
(07). 获取节点
#define list_entry(ptr, type, member) \
container_of(ptr, type, member)
list_entry(ptr, type, member) 实际上是调用的container_of宏。
它的作用是：根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针。
(08). 遍历节点
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
#define list_for_each_safe(pos, n, head) \
for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
pos = n, n = pos->next)
list_for_each(pos, head)和list_for_each_safe(pos, n, head)的作用都是遍历链表。但是它们的用途不一样！
list_for_each(pos, head)通常用于获取节点，而不能用到删除节点的场景。
list_for_each_safe(pos, n, head)通常删除节点的场景。
3. Linux中双向链表的使用示例
双向链表代码(list.h)
1 #ifndef _LIST_HEAD_H
2 #define _LIST_HEAD_H
3
4 // 双向链表节点
5 struct list_head {
6 struct list_head *next, *prev;
7 };
8
9 // 初始化节点：设置name节点的前继节点和后继节点都是指向name本身。
10 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
11
12 // 定义表头(节点)：新建双向链表表头name，并设置name的前继节点和后继节点都是指向name本身。
13 #define LIST_HEAD(name) \
14 struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
15
16 // 初始化节点：将list节点的前继节点和后继节点都是指向list本身。
17 static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
18 {
19 list->next = list;
20 list->prev = list;
21 }
22
23 // 添加节点：将new插入到prev和next之间。
24 static inline void __list_add(struct list_head *new,
25 struct list_head *prev,
26 struct list_head *next)
27 {
28 next->prev = new;
29 new->next = next;
30 new->prev = prev;
31 prev->next = new;
32 }
33
34 // 添加new节点：将new添加到head之后，是new称为head的后继节点。
35 static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
36 {
37 __list_add(new, head, head->next);
38 }
39
40 // 添加new节点：将new添加到head之前，即将new添加到双链表的末尾。
41 static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
42 {
43 __list_add(new, head->prev, head);
44 }
45
46 // 从双链表中删除entry节点。
47 static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
48 {
49 next->prev = prev;
50 prev->next = next;
51 }
52
53 // 从双链表中删除entry节点。
54 static inline void list_del(struct list_head *entry)
55 {
56 __list_del(entry->prev, entry->next);
57 }
58
59 // 从双链表中删除entry节点。
60 static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
61 {
62 __list_del(entry->prev, entry->next);
63 }
64
65 // 从双链表中删除entry节点，并将entry节点的前继节点和后继节点都指向entry本身。
66 static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
67 {
68 __list_del_entry(entry);
69 INIT_LIST_HEAD(entry);
70 }
71
72 // 用new节点取代old节点
73 static inline void list_replace(struct list_head *old,
74 struct list_head *new)
75 {
76 new->next = old->next;
77 new->next->prev = new;
78 new->prev = old->prev;
79 new->prev->next = new;
80 }
81
82 // 双链表是否为空
83 static inline int list_empty(const struct list_head *head)
84 {
85 return head->next == head;
86 }
87
88 // 获取"MEMBER成员"在"结构体TYPE"中的位置偏移
89 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
90
91 // 根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针
92 #define container_of(ptr, type, member) ({ \
93 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
94 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
95
96 // 遍历双向链表
97 #define list_for_each(pos, head) \
98 for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
99
100 #define list_for_each_safe(pos, n, head) \
101 for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
102 pos = n, n = pos->next)
103
104 #define list_entry(ptr, type, member) \
105 container_of(ptr, type, member)
106
107 #endif
双向链表测试代码(test.c)
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include "list.h"
5
6 struct person
7 {
8 int age;
9 char name[20];
10 struct list_head list;
11 };
12
13 void main(int argc, char* argv[])
14 {
15 struct person *pperson;
16 struct person person_head;
17 struct list_head *pos, *next;
18 int i;
19
20 // 初始化双链表的表头
21 INIT_LIST_HEAD(&person_head.list);
22
23 // 添加节点
24 for (i=0; i<5; i++)
25 {
26 pperson = (struct person*)malloc(sizeof(struct person));
27 pperson->age = (i+1)*10;
28 sprintf(pperson->name, "%d", i+1);
29 // 将节点链接到链表的末尾
30 // 如果想把节点链接到链表的表头后面，则使用 list_add
31 list_add_tail(&(pperson->list), &(person_head.list));
32 }
33
34 // 遍历链表
35 printf("==== 1st iterator d-link ====\n");
36 list_for_each(pos, &person_head.list)
37 {
38 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
39 printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age);
40 }
41
42 // 删除节点age为20的节点
43 printf("==== delete node(age:20) ====\n");
44 list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
45 {
46 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
47 if(pperson->age == 20)
48 {
49 list_del_init(pos);
50 free(pperson);
51 }
52 }
53
54 // 再次遍历链表
55 printf("==== 2nd iterator d-link ====\n");
56 list_for_each(pos, &person_head.list)
57 {
58 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
59 printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age);
60 }
61
62 // 释放资源
63 list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
64 {
65 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
66 list_del_init(pos);
67 free(pperson);
68 }
69
70 }
运行结果：
==== 1st iterator d-link ====
name:1 , age:10
name:2 , age:20
name:3 , age:30
name:4 , age:40
name:5 , age:50
==== delete node(age:20) ====
==== 2nd iterator d-link ====
name:1 , age:10
name:3 , age:30
name:4 , age:40
name:5 , age:50
