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Linux內核中雙向鏈表的經典實現

概要

前面一章"介紹雙向鏈表並給出了C/C++/Java三種實現",本章繼續對雙向鏈表進行探討,介紹的內容是Linux內核中雙向鏈表的經典實現和用法。其中,也會涉及到Linux內核中非常常用的兩個經典宏定義offsetof和container_of。內容包括:

1. Linux中的兩個經典宏定義

2. Linux中雙向鏈表的經典實現

轉載請注明出處:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3562146.html

更多內容: 數據結構與算法系列 目錄

Linux中的兩個經典宏定義

倘若你查看過Linux Kernel的源碼,那麼你對 offsetof 和 container_of 這兩個宏應該不陌生。這兩個宏最初是極客寫出的,後來在Linux內核中被推廣使用。

1. offsetof

1.1 offsetof介紹

定義:offsetof在linux內核的include/linux/stddef.h中定義。

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

說明:獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。

(01)  ( (TYPE *)0 )   將零轉型為TYPE類型指針,即TYPE類型的指針的地址是0。

(02)  ((TYPE *)0)->MEMBER     訪問結構中的數據成員。

(03)  &( ( (TYPE *)0 )->MEMBER )     取出數據成員的地址。由於TYPE的地址是0,這裡獲取到的地址就是相對MEMBER在TYPE中的偏移。

(04)  (size_t)(&(((TYPE*)0)->MEMBER))     結果轉換類型。對於32位系統而言,size_t是unsigned int類型;對於64位系統而言,size_t是unsigned long類型。

1.2 offsetof示例

代碼(offset_test.c)

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 // 獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
 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 }

結果

gender_offset = 0
id_offset = 4
age_offset = 8
name_offset = 12

說明:簡單說說"為什麼id的偏移值是4,而不是1"。我的運行環境是linux系統,32位的x86架構。這就意味著cpu的數據總線寬度為32,每次能夠讀取4字節數據。gcc對代碼進行處理的時候,是按照4字節對齊的。所以,即使gender是char(一個字節)類型,但是它仍然是4字節對齊的!

1.3 offsetof圖解

TYPE是結構體,它代表"整體";而MEMBER是成員,它是整體中的某一部分。

將offsetof看作一個數學問題來看待,問題就相當簡單了:已知'整體'和該整體中'某一個部分',而計算該部分在整體中的偏移。

2. container_of

2.1 container_of介紹

定義:container_of在linux內核的include/linux/kernel.h中定義。

#define container_of(ptr, type, member) ({          \
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

說明:根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針。

(01) typeof( ( (type *)0)->member )     取出member成員的變量類型。

(02) const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr)    定義變量__mptr指針,並將ptr賦值給__mptr。經過這一步,__mptr為member數據類型的常量指針,其指向ptr所指向的地址。

(04) (char *)__mptr    將__mptr轉換為字節型指針。

(05) offsetof(type,member))    就是獲取"member成員"在"結構體type"中的位置偏移。

(06) (char *)__mptr - offsetof(type,member))    就是用來獲取"結構體type"的指針的起始地址(為char *型指針)。

(07) (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) )    就是將"char *類型的結構體type的指針"轉換為"type *類型的結構體type的指針"。

2.2 container_of示例

代碼(container_test.c)

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 
 4 // 獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
 5 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
 6 
 7 // 根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針
 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     // 根據"id地址" 獲取 "結構體的地址"。
31     pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);
32 
33     // 根據獲取到的結構體student的地址,訪問其它成員
34     printf("gender= %c\n", pstu->gender);
35     printf("age= %d\n", pstu->age);
36     printf("name= %s\n", pstu->name);
37 }

本欄目更多精彩內容:http://www.bianceng.cn/OS/Linux/

結果

gender= 1
age= 24
name= zhouxingxing

2.3 container_of圖解

type是結構體,它代表"整體";而member是成員,它是整體中的某一部分,而且member的地址是已知的。

將offsetof看作一個數學問題來看待,問題就相當簡單了:已知'整體'和該整體中'某一個部分',要根據該部分的地址,計算出整體的地址。

Linux中雙向鏈表的經典實現

1. Linux中雙向鏈表介紹

Linux雙向鏈表的定義主要涉及到兩個文件:

include/linux/types.h

include/linux/list.h

Linux中雙向鏈表的使用思想

它是將雙向鏈表節點嵌套在其它的結構體中;在遍歷鏈表的時候,根據雙鏈表節點的指針獲取"它所在結構體的指針",從而再獲取數據。

我舉個例子來說明,可能比較容易理解。假設存在一個社區中有很多人,每個人都有姓名和年齡。通過雙向鏈表將人進行關聯的模型圖如下:

person代表人,它有name和age屬性。為了通過雙向鏈表對person進行鏈接,我們在person中添加了list_head屬性。通過list_head,我們就將person關聯起來了。

struct person 
{ 
    int age; 
    char name[20];
    struct list_head list; 
};

2. Linux中雙向鏈表的源碼分析

(01). 節點定義

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

雖然名稱list_head,但是它既是雙向鏈表的表頭,也代表雙向鏈表的節點。

(02). 初始化節點

#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的作用是定義表頭(節點):新建雙向鏈表表頭name,並設置name的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。

LIST_HEAD_INIT的作用是初始化節點:設置name節點的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。

INIT_LIST_HEAD和LIST_HEAD_INIT一樣,是初始化節點:將list節點的前繼節點和後繼節點都是指向list本身。

(03). 添加節點

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)的作用是添加節點:將new插入到prev和next之間。在linux中,以"__"開頭的函數意味著是內核的內部接口,外部不應該調用該接口。

list_add(new, head)的作用是添加new節點:將new添加到head之後,是new稱為head的後繼節點。

list_add_tail(new, head)的作用是添加new節點:將new添加到head之前,即將new添加到雙鏈表的末尾。

(04). 刪除節點

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內核的內部接口。

__list_del(prev, next) 的作用是從雙鏈表中刪除prev和next之間的節點。

__list_del_entry(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點。

list_del(entry) 和 list_del_init(entry)是linux內核的對外接口。

list_del(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點。

list_del_init(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點,並將entry節點的前繼節點和後繼節點都指向entry本身。

(05). 替換節點

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節點替換old節點。

(06). 判斷雙鏈表是否為空

static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}

list_empty(head)的作用是判斷雙鏈表是否為空。它是通過區分"表頭的後繼節點"是不是"表頭本身"來進行判斷的。

(07). 獲取節點

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

list_entry(ptr, type, member) 實際上是調用的container_of宏。

它的作用是:根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針。

(08). 遍歷節點

#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)的作用都是遍歷鏈表。但是它們的用途不一樣!

list_for_each(pos, head)通常用於獲取節點,而不能用到刪除節點的場景。

list_for_each_safe(pos, n, head)通常刪除節點的場景。

3. Linux中雙向鏈表的使用示例

雙向鏈表代碼(list.h)

  1 #ifndef _LIST_HEAD_H
  2 #define _LIST_HEAD_H
  3 
  4 // 雙向鏈表節點
  5 struct list_head {
  6     struct list_head *next, *prev;
  7 };
  8 
  9 // 初始化節點:設置name節點的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
 10 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
 11 
 12 // 定義表頭(節點):新建雙向鏈表表頭name,並設置name的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
 13 #define LIST_HEAD(name) \
 14     struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
 15 
 16 // 初始化節點:將list節點的前繼節點和後繼節點都是指向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 // 添加節點:將new插入到prev和next之間。
 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節點:將new添加到head之後,是new稱為head的後繼節點。
 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節點:將new添加到head之前,即將new添加到雙鏈表的末尾。
 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 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
 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 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
 54 static inline void list_del(struct list_head *entry)
 55 {
 56     __list_del(entry->prev, entry->next);
 57 }
 58 
 59 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
 60 static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
 61 {
 62     __list_del(entry->prev, entry->next);
 63 }
 64 
 65 // 從雙鏈表中刪除entry節點,並將entry節點的前繼節點和後繼節點都指向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節點取代old節點
 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 // 雙鏈表是否為空
 83 static inline int list_empty(const struct list_head *head)
 84 {
 85     return head->next == head;
 86 }
 87 
 88 // 獲取"MEMBER成員"在"結構體TYPE"中的位置偏移
 89 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
 90 
 91 // 根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針
 92 #define container_of(ptr, type, member) ({          \
 93     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
 94     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
 95 
 96 // 遍歷雙向鏈表
 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

雙向鏈表測試代碼(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     // 初始化雙鏈表的表頭 
21     INIT_LIST_HEAD(&person_head.list); 
22 
23     // 添加節點
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         // 將節點鏈接到鏈表的末尾 
30         // 如果想把節點鏈接到鏈表的表頭後面,則使用 list_add
31         list_add_tail(&(pperson->list), &(person_head.list));
32     }
33 
34     // 遍歷鏈表
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     // 刪除節點age為20的節點
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     // 再次遍歷鏈表
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     // 釋放資源
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 }

運行結果

==== 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
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