你知道Linux内核数据结构中双向链表的作用？

电子工程师 2019-05-14 1757

嵌入式技术

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Linux 内核提供一套双向链表的实现，你可以在 include/linux/list.h 中找到。我们以双向链表着手开始介绍 Linux 内核中的数据结构，因为这个是在 Linux 内核中使用最为广泛的数据结构。

首先让我们看一下主要的结构体：

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

struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

你可以看到其与常见的结构体实现有显著不同，比如 glib 中所使用到的双向链表实现。

struct GList { gpointer data; GList *next; GList *prev;};

struct GList {

gpointer data;

GList *next;

GList *prev;

};

通常来说，链表结构体要包括一个指向数据的指针，不过 Linux 内核的链表却不包含此实现。那么首要的疑问：链表是用什么方式存储数据的?。Linux 内核所实现的是一种被称为侵入式的链表（Intrusive list），这种链表并不在链表结构中包含数据，而仅提供用于维护前向与后向访问结构的指针。这种实现方式使得链表数据结构非常通用，因为它并不需要关注链表所维护的具体数据类型。

比如：

struct nmi_desc { spinlock_t lock; struct list_head head;};

struct nmi_desc {

spinlock_t lock;

struct list_head head;

};

接下来让我们看一些内核使用 list_head 的具体例子。正如在前文所述的，Linux 内核中诸多模块都使用了 list_head。这里我们以内核杂项字符设备驱动（miscellaneous character drivers）部分实现为例。驱动的 API 在 drivers/char/misc.c 中，其实现了简单硬件外设以及虚拟设备的驱动，这个驱动共享主设备号（Major number）：

#define MISC_MAJOR 10

每个设备有自己的次设备号，具体可以看这个列子：

ls -l /dev | grep 10crw------- 1 root root 10, 235 Mar 21 12:01 autofsdrwxr-xr-x 10 root root 200 Mar 21 12:01 cpucrw------- 1 root root 10, 62 Mar 21 12:01 cpu_dma_latencycrw------- 1 root root 10, 203 Mar 21 12:01 cusedrwxr-xr-x 2 root root 100 Mar 21 12:01 dricrw-rw-rw- 1 root root 10, 229 Mar 21 12:01 fusecrw------- 1 root root 10, 228 Mar 21 12:01 hpetcrw------- 1 root root 10, 183 Mar 21 12:01 hwrngcrw-rw----+ 1 root kvm 10, 232 Mar 21 12:01 kvmcrw-rw---- 1 root disk 10, 237 Mar 21 12:01 loop-controlcrw------- 1 root root 10, 227 Mar 21 12:01 mcelogcrw------- 1 root root 10, 59 Mar 21 12:01 memory_bandwidthcrw------- 1 root root 10, 61 Mar 21 12:01 network_latencycrw------- 1 root root 10, 60 Mar 21 12:01 network_throughputcrw-r----- 1 root kmem 10, 144 Mar 21 12:01 nvrambrw-rw---- 1 root disk 1, 10 Mar 21 12:01 ram10crw--w---- 1 root tty 4, 10 Mar 21 12:01 tty10crw-rw---- 1 root dialout 4, 74 Mar 21 12:01 ttyS10crw------- 1 root root 10, 63 Mar 21 12:01 vga_arbitercrw------- 1 root root 10, 137 Mar 21 12:01 vhci

ls -l /dev | grep 10

crw------- 1 root root 10, 235 Mar 21 12:01 autofs

drwxr-xr-x 10 root root 200 Mar 21 12:01 cpu

crw------- 1 root root 10, 62 Mar 21 12:01 cpu_dma_latency

crw------- 1 root root 10, 203 Mar 21 12:01 cuse

drwxr-xr-x 2 root root 100 Mar 21 12:01 dri

crw-rw-rw- 1 root root 10, 229 Mar 21 12:01 fuse

crw------- 1 root root 10, 228 Mar 21 12:01 hpet

crw------- 1 root root 10, 183 Mar 21 12:01 hwrng

crw-rw----+ 1 root kvm 10, 232 Mar 21 12:01 kvm

crw-rw---- 1 root disk 10, 237 Mar 21 12:01 loop-control

crw------- 1 root root 10, 227 Mar 21 12:01 mcelog

crw------- 1 root root 10, 59 Mar 21 12:01 memory_bandwidth

crw------- 1 root root 10, 61 Mar 21 12:01 network_latency

crw------- 1 root root 10, 60 Mar 21 12:01 network_throughput

crw-r----- 1 root kmem 10, 144 Mar 21 12:01 nvram

brw-rw---- 1 root disk 1, 10 Mar 21 12:01 ram10

crw--w---- 1 root tty 4, 10 Mar 21 12:01 tty10

crw-rw---- 1 root dialout 4, 74 Mar 21 12:01 ttyS10

crw------- 1 root root 10, 63 Mar 21 12:01 vga_arbiter

crw------- 1 root root 10, 137 Mar 21 12:01 vhci

现在我们看看设备驱动是如何使用链表维护设备列表的，首先，我们看一下 miscdevice 的 struct 定义：

struct miscdevice{ int minor; const char *name; const struct file_operations *fops; struct list_head list; struct device *parent; struct device *this_device; const char *nodename; mode_t mode;};

struct miscdevice

{

int minor;

const char *name;

const struct file_operations *fops;

struct list_head list;

struct device *parent;

struct device *this_device;

const char *nodename;

mode_t mode;

};

可以看到 miscdevice 的第四个成员 list ，这个就是用于维护已注册设备链表的结构。在源代码文的首部，我们可以看到以下定义：

static LIST_HEAD(misc_list);

这个定义宏展开，可以看到是用于定义 list_head 类型变量：

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

#define LIST_HEAD(name)

struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

LIST_HEAD_INIT 这个宏用于对定义的变量进行双向指针的初始化：

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

现在我看可以看一下函数 misc_register 是如何进行设备注册的。首先是用 INIT_LIST_HEAD 对 miscdevice->list 成员变量进行初始化：

INIT_LIST_HEAD(&misc->list);

这个操作与 LIST_HEAD_INIT 宏一致：

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

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)

{

list->next = list;

list->prev = list;

}

接下来，在通过函数 device_create 进行设备创建，同时将设备添加到 Misc 设备列表中：

list_add(&misc->list, &misc_list);

内核的 list.h文件提供向链表添加节点的 API，这里是添加操作的实现：

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 *head)

{

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

}

函数实现很简单，就是入参转换为三个参数后调用内部 __list_add ：

new – 新节点;

head – 新节点插入的双向链表头;

head->next – 链表头的下一个节点;

_list_add 函数的实现更加简单：

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 *prev,

struct list_head *next)

{

next->prev = new;

new->next = next;

new->prev = prev;

prev->next = new;

}

这里设置了新添加结点的 prev 与 next 指针，通过这些操作，就将先前使用 LIST_HEAD_INIT 所定义的 misc 链表的双向指针与 miscdevice->list 结构关联起来。

这里还有一个问题，就是如何获取链表中的数据，list_head 提供了一个特殊的宏用于获取数据指针。

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

#define list_entry(ptr, type, member)

container_of(ptr, type, member)

这里有三个参数

ptr：list_head 结构指针

type：数据对应的 struct 类型

member：数据中 list_head 成员对应的成员变量名

举例如下：

const struct miscdevice *p = list_entry(v, struct miscdevice, list)

接下来我们就够访问 miscdevice 的各个成员，如 p->minor、p->name 等等，我们看一下 list_entry 的实现：

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

#define list_entry(ptr, type, member)

container_of(ptr, type, member)

其实现非常简单，就是使用入参调用 container_of 宏，宏的实现如下：

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

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

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

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

注意，宏使用了大括号表达式，对于大括号表达式，编译器会展开所有表达式，同时使用最后一个表达式的结果进行返回。

举个例子：

#include int main() { int i = 0; printf("i = %dn", ({++i; ++i;})); return 0;}

#include

int main() {

int i = 0;

printf("i = %dn", ({++i; ++i;}));

return 0;

}

输出结果为 2 。

另一个关键是 typeof 关键字，这个非常简单，这个正如它的名字一样，这个关键字返回的结果是变量的类型。当我第一次看到这个宏时，最让我觉得奇怪的是表达式 ((type*)0) 中的 0 值，实际上，使用 0 值作为地址这个是成员变量取得 struct 内相对偏移地址的巧妙实现，我们再来看个例子：

#include struct s { int field1; char field2; char field3;};int main() { printf("%pn", &((struct s*)0)->field3); return 0;}

#include

struct s {

int field1;

char field2;

char field3;

};

int main() {

printf("%pn", &((struct s*)0)->field3);

return 0;

}

输出结果为 0x5 。

还有一个专门用于获取结构体中某个成员变量偏移的宏，其实现与前面提到的宏非常类似：

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

这里对 container_of 宏做个综述，container_of 宏通过 struct 中的 list_head 成员返回 struct 对应数据的内存地址。在宏的第一行定义了指向 list_head 成员的指针 __mptr ，并将 ptr 地址赋给 __mptr 。从技术实现的角度来看，实际并不需要这一行定义，但这个对于类型检查而言非常有意义。这一行代码确保结构体（ type ）中存在 member 对应的成员。第二行使用 offsetoff 宏计算出包含 member 的结构体所对应的内存地址，就是这么简单。

当然 list_add 与 list_entry 并非是中的全部函数，对于双向链表 list_head ，内核还提供了以下的接口：

list_add

list_add_tail

list_del

list_replace

list_move

list_is_last

list_empty

list_cut_position

list_splice

未了，需要说的是，内核代码中并不仅仅只有上述这些接口。

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