linux 中的 list （链表）

一、简介：

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        linux中的链表使用两个指针，可以方便的构成双向链表，实际上，通常它都组织成双向循环链表，不同于数据结构书上的链表，这里的节点只有链表指针，没有链表的数据，下边我将对内核中使用的 include/linux/list.h 进行函数说明和生动的图形解释。

二、函数：

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我们先来看看

1. 链表数据结构 list_head 的定义：

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

【1】只有前后节点指针，没有数据

2. 声明和初始化：有两种方法

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①声明的时候初始化一个链表 LIST_HEAD 宏：

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) } // 链表的pre和next指针都指向了节点自己的首地址

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

②运行时初始化链表  INIT_LIST_HEAD 函数：

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
	list->next = list;
	list->prev = list;
}

注意：

此处说的声明的时候简单的理解为不在函数内部，而运行时指的就是在函数内部了

图形：

3. 插入/删除/合并

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a) 插入

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对链表的插入操作有两种：

在表头插入 list_add函数 和

在表尾插入 list_add_tail函数：

static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) // new：要添加的新的链表的首地址，head：链表的中的位置
{
	__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);
}

可以看到他们调用了相同的 __list_add 函数：

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;
}

【1】对于这个函数，他是将list_add和list_add_tail的共性的部分抽离了出来，给我们分析很大的障碍，我们只分析 list_add 和 list_add_tail 函数

图形：

• list_add 部分：

网络上的一张图更全面的展示了在使用中的链表的结构：

• list_add_tail 部分：

画图总结：

【1】上边图形的画法中，要前两步划在外边沿

【2】对list链表的头和尾的快速记忆的方法，我们可以看待内核中的链表为 向右行驶的贪吃蛇

b) 删除

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对链表的删除操作函数有两种：

list_del函数和

list_del_init函数：

static inline void list_del(struct list_head *entry) // entry：要删除的链表的首地址
{
	__list_del(entry->prev, entry->next); // 这不就是 __list_del_entry(entry) 吗！！
	entry->next = LIST_POISON1;
	entry->prev = LIST_POISON2;
}
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
	__list_del_entry(entry);
	INIT_LIST_HEAD(entry); // 运行中初始化链表节点
}
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
	__list_del(entry->prev, entry->next);
}

【1】list_del函数中entry的next和prev指针指向了LIST_POISON1和LIST_POISON2位置，对他们进行访问都将引起页故障，保护不在链表中的节点项不可访问

他们调用了相同的 __list_del 函数：

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

图形：

我们来删除有3个元素的链表的中间的一个：list_del(&new)

list_del_init 函数不再画图，唯一的不同是把删除下来的图的next和prev指针指向了自己的首地址

c) 替换

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对链表的替换操作有两个：

list_replace函数和

list_replace_init函数：

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;
}

static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
					struct list_head *new)
{
	list_replace(old, new);
	INIT_LIST_HEAD(old);
}

图形：

list_replace_init函数的图形此处也不再画

d) 搬移

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搬移的含义是将原本属于一个链表的节点移动到另一个链表的操作，有两个函数：

list_move函数和

list_move_tail函数：

/**
 * list_move - 把从一个链表上删除的节点添加到另外的一个链表的头部
 * @list: 我们要移动的节点
 * @head: 要移动到的另外的一个链表头
 */
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
	__list_del_entry(list);
	list_add(list, head);
}

/**
 * list_move_tail - 添加到另外的一个链表的尾部
 * @list: the entry to move
 * @head: the head that will follow our entry
 */
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
				  struct list_head *head)
{
	__list_del_entry(list);
	list_add_tail(list, head);
}

图形：

e) 合并

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合并在这里的意思就是合并了，是将两个独立的链表合并成为一个链表，合并的时候根据合并的位置的不同可以分为：

合并到头部的 list_splice函数和

合并到尾部的 list_splice_tail函数：（这两个函数有推荐使用的函数）

/**
 * list_splice - join two lists, this is designed for stacks
 * @list: the new list to add.
 * @head: the place to add it in the first list.
 */
static inline void list_splice(const struct list_head *list,
				struct list_head *head)
{
	if (!list_empty(list))
		__list_splice(list, head, head->next);
}
/**
 * list_splice_tail - join two lists, each list being a queue
 * @list: the new list to add.
 * @head: the place to add it in the first list.
 */
static inline void list_splice_tail(struct list_head *list,
				struct list_head *head)
{
	if (!list_empty(list))
		__list_splice(list, head->prev, head);
}
static inline void list_splice_init(struct list_head *list, // 推荐使用，防止混乱
				    struct list_head *head)
{
	if (!list_empty(list)) {
		__list_splice(list, head, head->next);
		INIT_LIST_HEAD(list);                   <--- 跟list_splice唯一的不同
	}
}
static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list, // 推荐使用，防止混乱
					 struct list_head *head)
{
	if (!list_empty(list)) {
		__list_splice(list, head->prev, head);
		INIT_LIST_HEAD(list);                   <--- 跟list_splice_tail_init唯一的不同
	}
}
static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
				 struct list_head *prev,
				 struct list_head *next)
{
	struct list_head *first = list->next;
	struct list_head *last = list->prev;

	first->prev = prev;
	prev->next = first;

	last->next = next;
	next->prev = last;
}

图形：

这张图虽然画出来了，比起看程序，虽然好点，但是理解起来还是有很大的问题，此处就借鉴别人的一张图来说明这个list_splice函数实现了什么：

        链表合并list_splice(&list1,&list2) （此图片引自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-chain/）

对于这张图的说明如下：

        假设当前有两个链表，表头分别是list1和list2（都是struct list_head变量），当调用list_splice(&list1,&list2)时，只要list1非空，list1链表的内容将被挂接在list2链表上，位于list2和list2.next（原list2表的第一个节点）之间。新list2链表将以原list1表的第一个节点为首节点，而尾节点不变。

4. 找到链表中的数据

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        前边提到的函数都是操作的链表节点的入口，但是对于我们真正有意义的是节点上的数据，链表的头上没有数据，其他的节点上都是带有数据的。如何从一个链表节点的入口得到节点的数据呢？要用到以下的函数：

list_entry函数：

/**
 * list_entry - 获得含链表入口的结构体首地址
 * @ptr:	member的首地址
 * @type:	容器的类型
 * @member:	要得到他的容器的某个成员
 */
#define list_entry(ptr, type, member) \
	container_of(ptr, type, member)

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

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) // 将数据结构体放到0地址处，天然的结构体中成员的首地址就是成员在结构体中的偏移量

一个简单的例子：

main.c

#include <stdio.h>
#include "list.h"

LIST_HEAD(device_list);

typedef struct device_struct
{
    unsigned char *devname;
    struct list_head entry;
} device_struct_s;

int main(int argc, const char *argv[])
{
    device_struct_s led;
    device_struct_s *led2;

    led.devname = "led";

    /* 添加到链表的前边 */
    list_add(&led.entry, &device_list);

    /* 得到含有链表节点的数据结构体的首地址 */
    led2 = list_entry(device_list.next, device_struct_s, entry);

    printf("led2.devname = %s\n", led2->devname);
    
    return 0;
}

【1】list.h 你需要复制linux内核中的list.h头文件，并且把list_head的定义和其他需要包含进来的结构体或者宏包含进来，编译后执行的结果如下：

led2.devname = led

5. 遍历链表

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对linux内核的遍历可以分为遍历链表和遍历链表中的结构体：

从头开始遍历链表，list_for_each宏，

从头开始遍历链表中的结构体，list_for_each_entry宏：

/**
 * list_for_each - 迭代/遍历 链表
 * @pos:	the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @head:	要遍历的链表头
 */
#define list_for_each(pos, head) \
	for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)


/**
 * list_for_each_entry	- 遍历含链表节点入口的结构体
 * @pos:	the type * to use as a loop cursor.
 * @head:	要遍历的链表头
 * @member:	结构体中链表入口的名字
 */
#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))

一个简单的例子：

#include <stdio.h>
#include "list.h"

LIST_HEAD(device_list);

typedef struct device_struct
{
    unsigned char *devname;
    struct list_head entry;
} device_struct_s;

int main(int argc, const char *argv[])
{
    device_struct_s led, gpio, beep, *tmp;

    led.devname = "led";
    gpio.devname = "gpio";
    beep.devname = "beep";

    /* 一个一个往链表的前边添加 */
    list_add(&led.entry, &device_list);
    list_add(&gpio.entry, &device_list);
    list_add(&beep.entry, &device_list);

    /* 1. 遍历链表的入口的首地值 */
    struct list_head *i;
    list_for_each(i, &device_list)
    {
        tmp = list_entry(i, device_struct_s, entry);
        printf("tmp.devname = %s\n", tmp->devname);
    }

    /* 2. 遍历含链表的入口的结构体的首地值 */
    device_struct_s *j;
    list_for_each_entry(j, &device_list, entry)
    {
        printf("j.devname = %s\n", j->devname);
    }

    return 0;
}

【1】list.h 你需要复制linux内核中的list.h头文件，并且把list_head的定义和其他需要包含进来的结构体或者宏包含进来，编译后执行的结果如下：

tmp.devname = beep
tmp.devname = gpio
tmp.devname = led
j.devname = beep
j.devname = gpio
j.devname = led

另外：

1. linux内核的链表中提供了反向遍历链表的宏list_for_each_prev和list_for_each_entry_reverse，他们分别是list_for_each和list_for_each_entry的反方向的实现，使用方法完全一样。
2. 如果遍历不是从链表头开始，而是从已知的某个节点pos开始，则要使用list_for_each_entry_continue宏（使用方法同list_for_each_entry宏）。
3. 如果想实现如果pos有值则从pos开始遍历，如果没有则从链表的头开始遍历，为此，Linux专门提供了一个list_prepare_entry(pos,head,member)宏，将它的返回值作为list_for_each_entry_continue()的pos参数，就可以满足这一要求。

我们将list_for_each_prev和list_for_each_entry_reverse的代码和执行结果也写下来：

    printf("list_for_each_prev()\n");
    /* 3. 反向遍历链表的入口的首地值 */
    struct list_head *k;
    list_for_each_prev(k, &device_list)
    {
        tmp = list_entry(k, device_struct_s, entry);
        printf("tmp.devname = %s\n", tmp->devname);
    }

    printf("list_for_each_reverse()\n");
    /* 4. 反向遍历含链表的入口的结构体的首地值 */
    device_struct_s *g;
    list_for_each_entry_reverse(g, &device_list, entry)
    {
        printf("g.devname = %s\n", g->devname);
    }

【1】此部分是在上边的main.c中实现的

【2】结合上边代码整个的执行结果如下：

list_for_each()
tmp.devname =beep
tmp.devname =gpio
tmp.devname =led
list_for_each_entry()
j.devname = beep
j.devname = gpio
j.devname = led
list_for_each_prev()   <--- 可以看到遍历结果是从尾部遍历到头部
tmp.devname = led
tmp.devname = gpio
tmp.devname = beep
list_for_each_reverse()   <--- 可以看到遍历结果是从尾部遍历到头部
g.devname = led
g.devname = gpio
g.devname = beep

6. 安全性

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只讲一点判断链表是不是为空：

list_empty宏：

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