Linux内核分析--内核中的数据结构双向链表【转】

本文转自:http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/19840065

一、首先介绍内核中链表

内核中定义的链表是双向链表,在上篇文章--libevent源代码分析--queue.h中关于TAILQ_QUEUE的理解中介绍了FreeBSD中如何定义链表队列,和linux内核中的定义还是有区别的,但同样经典。

内核中关于链表定义的代码位于: include/linux/list.h。list.h文件中对每个函数都有注释,这里就不详细说了。其实刚开始只要先了解一个常用的链表操作(追加,删除,遍历)的实现方法,其他方法基本都是基于这些常用操作的。

介绍内核中链表的定义之前,回想数据结构中定义链表的方式,两者是有区别的。

一般的双向链表一般是如下的结构,

  • 有个单独的头结点(head)
  • 每个节点(node)除了包含必要的数据之外,还有2个指针(pre,next)
  • pre指针指向前一个节点(node),next指针指向后一个节点(node)
  • 头结点(head)的pre指针指向链表的最后一个节点
  • 最后一个节点的next指针指向头结点(head)

Linux内核分析--内核中的数据结构双向链表【转】

(感谢原作者)

传统的链表有个最大的缺点就是不好共通化,因为每个node中的data1,data2等等都是不确定的(无论是个数还是类型)。

linux中的链表巧妙的解决了这个问题,linux的链表不是将用户数据保存在链表节点中,而是将链表节点保存在用户数据中。

linux的链表节点只有2个指针(pre和next),这样的话,链表的节点将独立于用户数据之外,便于实现链表的共同操作。

如下图所示:

Linux内核分析--内核中的数据结构双向链表【转】

这个图画的非常的标准,好好揣摩。

在include/linxu/list.h中的定义也是非常简单:

  1. struct list_head {
  2. 20     struct list_head *next, *prev;
  3. 21 };
 

在使用的时候,自己定义结构体,但是结构体中除了用户的数据就是这个结构体。这样便可构造自己定义的双向链表。

在了解了基本内容看具体实现,只知道数据成员list的地址,怎样去访问自身以及其他成员呢?

linux链表中的最大问题是怎样通过链表的节点来取得用户数据?

和传统的链表不同,linux的链表节点(node)中没有包含用户的用户data1,data2等。

下面进入正题:

在include/linux/list.h头文件中可以看到这段代码!

  1. #define list_entry(ptr,type,member)    /
  2. container_of(ptr,type,member)

其中container_of这个宏在/include/linux/kernel.h的头文件中。

  1. #define container_of(ptr, type, member) ({          \
  2. 648     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
  3. 649     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

//这里面的type一般是个结构体,也就是包含用户数据和链表节点的结构体。

//ptr是指向type中链表节点的指针

//member则是type中定义链表节点是用的名字

关于这个宏解释有几点需要解释,

1、typeof(type),这是一个宏,这个宏返回一个type的类型,例如:int a; typeof(a) b;等价于int b;

2、offsetof(type,member)宏  它定义在include/linx/stddef.h中,如下:
#define offsetof(TYPE, MEMBER)  ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
这个宏返回member在type类型中的偏移量,type是一个结构,例如:
typeof(list_head,next);返回0,也就是返回相对于结构起始地址的偏移量。可能会有疑问为何将0强制转化为某一个类型的指针,然后这个指针指向这个类型中的某一个成员,指针所指成员的地址就是这个成员在这个类型中的偏移量。

这种情况一般都使用在获取结构体中某一成员的偏移。因为首地址是从0开始,那么结构成员的地址从数值上看就是他的偏移量。可能还不怎么明白,那么指针是什么,是一个地址,指针的内容是某个变量的首地址,将0强转为指针类型,也就是说指针值为零,而这个值就是所指对象的首地址。(偏移量+首地址=成员地址,这里只不过将首地址变为0,那么成员地址就是偏移量。)

可以用一个简单的例子说明:

  1. struct student
  2. {
  3. int id;
  4. char* name;
  5. struct list_head list;
  6. };
  7. <ul><li>type是struct student</li><li>ptr是指向stuct list的指针,也就是指向member类型的指针</li><li>member就是 list
  8. </li></ul>

下面的图以sturct student为例进行说明这个宏:

首先需要知道 ((TYPE *)0) 表示将地址0转换为 TYPE 类型的地址

由于TYPE的地址是0,所以((TYPE *)0)->MEMBER 也就是 MEMBER的地址和TYPE地址的差,如下图所示:

Linux内核分析--内核中的数据结构双向链表【转】

3、使用typeof(((type *)0)->member)来定义指针 __ptr,而不是这样:const typeof(member) *__ptr=ptr;?
    其实,这个很简单,因为member是结构的成员,只能通过结构来访问!

4、在这句话中(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) ); 减号前就是成员的地址,减号后是这个成员在结构中的偏移量,两者相减便是这个结构的首地址。

链表中数据的访问:

在文件include/linux/list.h中,有访问链表数据的代码

  1. #define list_for_each_entry(pos, head, member)
  2. for(pos=list_entry((head)->next,typeof(*pos),member);...)

#define list_for_each_entry(pos, head, member)
    for(pos=list_entry((head)->next,typeof(*pos),member);...)
从上面的使用来看,替换list_entry宏以及container_of宏后,变成如下:
    pos=({const typeof(((typeof(*pos) *)0)->member) *__ptr=(head)->next;

  1. pos=({const typeof(((typeof(*pos) *)0)->member) *__ptr=(head)->next;
  2. (typeof(*pos) *)((char *)__ptr - offsetof(typeof(typeof(*pos)),member));});

二、还有一种链表,作为双向链表使用

  1. struct hlist_head{
  2. struct hlist_node *first;
  3. };
  4. struct hlist_node{
  5. struct hlist_node *next, **pprev;
  6. };

这个双向链表不是真正的双向链表,因为表头只有一个first域,为什么这样设计?代码中的注释解释:为了节约内存,特别适合作为Hash表的冲突链,但Hash表很大时,那么表头节约下来的内存就相当客观了,虽然每个表头只节约一个指针。
    同时,表头的不一致性也会带来链表操作上的困难,显然就是在表头和首数据节点之间插入节点时需要特别处理,这也就是为什么会设计二级指针pprev的原因。看看代码

  1. static inline void hlist_add_before(struct hlist_node *n,struct hlist_node *next)
  2. {
  3. n->pprev=next->pprev;
  4. n->next=next;
  5. next->pprev=&n->next;
  6. *(n->pprev)=n;
  7. }

解释:指针n指向新节点,指针next指向将要在它之前插入新节点的那个节点。
看上面的代码,就可以看到二级指针pprev的威力了!有没有看到,当next就是第一个数据节点时,这里的插入也就是在表头和首数据节点之间插入一个节点,但是并不需要特别处理!而是统一使用*(n->pprev)来访问前驱的指针域(在普通节点中是next,而在表头中是first)。看到这个和上篇文章中讲解的TAILQ_QUEUE是不是很相似!其实在FreeBSD中也讲解了这种数据结构!

精益求精的Linux链表设计者(因为list.h没有署名,所以很可能就是Linus Torvalds)认为双头(next、prev)的双链表对于HASH表来说"过于浪费",因而另行设计了一套用于HASH表应用的hlist数据结构--单指针表头双循环链表,从上图可以看出,hlist的表头仅有一个指向首节点的指针,而没有指向尾节点的指针,这样在可能是海量的HASH表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。

因为表头和节点的数据结构不同,插入操作如果发生在表头和首节点之间,以往的方法就行不通了:表头的first指针必须修改指向新插入的节点,却不能使用类似list_add()这样统一的描述。为此,hlist节点的prev不再是指向前一个节点的指针,而是指向前一个节点(可能是表头)中的next(对于表头则是first)指针(struct list_head **pprev),从而在表头插入的操作可以通过一致的"*(node->pprev)"访问和修改前驱节点的next(或first)指针。

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