linux内核中llist.h文件中的链表宏讲解

 

链表宏在linux内核、鸿蒙内核、rtos和一些开源代码中用的非常多。链表宏是双向链表的经典实现方式，总代码不超过50行，相当精炼。在一些开源框架中，它的数据结构，就是以链表宏为基础进行搭建(如shttpd，一个开源的轻量级、嵌入式服务器框架)。本篇文章将对llist.h文件中的链表宏进行逐个讲解。

1 源码（llist.h）

llist.h文件的全部源码如下：

#ifndef LLIST_HEADER_INCLUDED
#define LLIST_HEADER_INCLUDED

/*
 * Linked list macros.
 */
struct llhead {
 struct llhead *prev;
 struct llhead *next;
};

#define LL_INIT(N) ((N)->next = (N)->prev = (N))

#define LL_HEAD(H) struct llhead H = { &H, &H }

#define LL_ENTRY(P,T,N) ((T *)((char *)(P) - offsetof(T, N)))

#define LL_ADD(H, N)       
 do {        
  ((H)->next)->prev = (N);    
  (N)->next = ((H)->next);    
  (N)->prev = (H);     
  (H)->next = (N);     
 } while (0)

#define LL_TAIL(H, N)       
 do {        
  ((H)->prev)->next = (N);    
  (N)->prev = ((H)->prev);    
  (N)->next = (H);     
  (H)->prev = (N);     
 } while (0)

#define LL_DEL(N)       
 do {        
  ((N)->next)->prev = ((N)->prev);   
  ((N)->prev)->next = ((N)->next);   
  LL_INIT(N);      
 } while (0)

#define LL_EMPTY(N) ((N)->next == (N))

#define LL_FOREACH(H,N) for (N = (H)->next; N != (H); N = (N)->next)

#define LL_FOREACH_SAFE(H,N,T)      
 for (N = (H)->next, T = (N)->next; N != (H);   
   N = (T), T = (N)->next)

#endif /* LLIST_HEADER_INCLUDED */

2 注解

在llist.h中，所用到的链表是双向链表，其节点结构定义如下。在此节点结构中，其只包含了两个指针域，一个指向直接前驱，一个指向直接后继，没有定义数据域。

struct llhead {
 struct llhead *prev;
 struct llhead *next;
};

2.1 LL_INIT(N)

宏LL_INIT的定义如下，其作用是将所传入指针N的两个指针域(N)->next和(N)->prev都指向N。目的是完成单个节点的初始化工作，如下图示意了该过程。

#define LL_INIT(N) ((N)->next = (N)->prev = (N))

2.2 LL_HEAD(H)

宏LL_HEAD的定义如下，直接将宏LL_HEAD展开，其意图很明显是定义一个新链表H（H表示为传入宏的参数名），并且将H的两个指针域，都初始化为H地址本身，如下图示意了该过程。

#define LL_HEAD(H) struct llhead H = { &H, &H }

2.3 LL_ENTRY(P,T,N)

宏LL_ENTRY的定义如下，其依赖于宏offsetof。下面先对宏offsetof进行详细描述，其功能描述为：

C语言的offsetof()宏，是定义在stddef.h。用于求出一个struct或union数据类型的给定成员的size_t类型的字节偏移值（相对于struct或union数据类型的开头）。offsetof()宏有两个参数，分别是结构名与结构内的成员名。——维基百科

#define LL_ENTRY(P,T,N) ((T *)((char *)(P) - offsetof(T, N)))

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

为了更好的理解宏offsetof，下面按照宏的定义来进行拆解说明。

• ((TYPE *)0)：取整数零并将其强转换为指向TYPE的指针。
• ((TYPE *)0)->MEMBER)：引用指向结构成员MEMBER。
• &((TYPE *)0)->MEMBER)：取出MEMBER的地址。
• ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)：将结果转换为适当的数据类型。

由于该结构体是以0地址开头，所以最后该宏返回的结果就是该成员相对于结构体开头的偏移量。有了对宏offsetof的理解，再来看宏LL_ENTRY就比较好理解了。宏LL_ENTRY的功能是，根据结构体变量(T)中的域成员变量(N)的指针(P)来获取指向整个结构体变量的指针，下面来做拆解说明：

• offsetof(T, N)：计算成员N相对于其结构体T开头的偏移量。
• ((char *)(P)：将指针P强转为字符指针类型，保证其做+/-运算时是以字节为单位。
• (char *)(P) - offsetof(T, N))：P为成员N的指针，减去偏移量，指针到了结构体开头位置。
• ((T *)((char *)(P)- offsetof(T, N)))：将指针强转，得到了整个结构体指针。

宏LL_ENTRY的作用和linux中的宏container_of作用基本一样，该宏定义如下：

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

2.4 LL_ADD(H, N)

宏LL_ADD的定义如下，其作用是向双向链表H的头部添加节点N。根据LL_ADD定义的语句顺序，对照着图片分析，会更加清晰。如下图，上面这张图片展示了添加节点N之前的结构，下图展示了添加节点N之后的结构。

#define LL_ADD(H, N)       
 do {        
  ((H)->next)->prev = (N);    
  (N)->next = ((H)->next);    
  (N)->prev = (H);     
  (H)->next = (N);     
 } while (0)

2.5 LL_TAIL(H, N)

宏LL_TAIL的定义如下，其作用是将节点N添加到双向链表H的尾部。宏LL_TAIL的定义如下，其作用是向双向链表H的头部添加节点N。根据LL_TAIL定义的语句顺序，对照着图片分析，会更加清晰。如下图，上面这张图片展示了添加节点N之前的结构，下图展示了添加节点N之后的结构，可以和LL_ADD的结果进行对照。

#define LL_TAIL(H, N)       
 do {        
  ((H)->prev)->next = (N);    
  (N)->prev = ((H)->prev);    
  (N)->next = (H);     
  (H)->prev = (N);     
 } while (0)

2.6 LL_DEL(N)

宏LL_DEL的定义如下，其作用是将节点N从双向链表中删除，并且节点N回到初始状态(其指针仅指向自身，不再指向其它地方)。

#define LL_DEL(N)       
 do {        
  ((N)->next)->prev = ((N)->prev);   
  ((N)->prev)->next = ((N)->next);   
  LL_INIT(N);      
 } while (0)

2.7 LL_EMPTY(N)

宏LL_EMPTY的定义如下，其作用是判断链表N是否为空链表，返回布尔值false/true。如果节点的直接后继next指向其自身，就认为其为空节点。

#define LL_EMPTY(N) ((N)->next == (N))

2.8 LL_FOREACH(H,N)

宏LL_FOREACH的定义如下，其作用是在双向链表H中，循环遍历出节点。

#define LL_FOREACH(H,N) for (N = (H)->next; N != (H); N = (N)->next)

2.9 LL_FOREACH_SAFE(H,N,T)

宏LL_FOREACH_SAFE的定义如下，其作用是在双向链表H中，循环遍历出节点N，因为其有提前存储N的下一个节点T。即使N节点被清理掉，也不影响其下一个节点的遍历，所以该宏一般用来做循环清除双向链表中节点的操作，而宏LL_FOREACH仅用来遍历双向链表。

#define LL_FOREACH_SAFE(H,N,T)      
 for (N = (H)->next, T = (N)->next; N != (H);   
   N = (T), T = (N)->next)

3 使用案例

有人可能会有疑惑，这个双向链表定义如此简单，只有前驱和后继两个指针，甚至连数据域都没有，那实际该如何使用呢？这个可能就是这组双向链表宏的精妙之处。其在使用过程中并不需要数据域，而是通过指针将结构体串联成双向链表，并且通过该指针借助 LL_ENTRY宏 能还原出该结构体指针，从而达到操作具体结构体的目的。

如下例子虽然不是完整能跑的程序，但是足够说明双向链表宏的关键用法。程序源码如下，现对照代码，描述双向链表宏的大致使用步骤：

1. 定义一个结构体，结构体中必须包含struct llheadlink;双向链表节点，这是后续能通过遍历双向链表节点，还原出该结构体指针的关键；
2. 通过LL_HEAD(listeners);，创建一个双向链表的头为listeners；
3. 在具体逻辑中，肯定有地方通过LL_TAIL(&listeners, &l->link);或者LL_ADD(H, N)，向双向链表的头listeners添加节点；
4. 在需要操作1.所定义的结构体时，通过LL_FOREACH(&listeners, lp)遍历出节点指针；
5. 这是最精华的一步，通过4.遍历出来的节点，传入宏LL_ENTRY(lp, struct listener, link);中，还原出节点所在的结构体指针，根据逻辑的需要对结构体进行具体相应的操作；
6. 通过宏LL_FOREACH_SAFE来遍历双向链表，LL_DEL来删除遍历出来的节点，达到清空链表的作用。

struct llhead {
 struct llhead *prev;
 struct llhead *next;
};

struct listener {
 struct llhead link;
 struct shttpd_ctx *ctx;  /* Context that socket belongs */
 int  sock;  /* Listening socket  */
 int  is_ssl;  /* Should be SSL-ed  */
};

static LL_HEAD(listeners); /* List of listening sockets */

struct listener *l;
LL_TAIL(&listeners, &l->link);

struct llhead *lp;
LL_FOREACH(&listeners, lp) {
 l = LL_ENTRY(lp, struct listener, link);
 FD_SET(l->sock, &read_set);
 if (l->sock > max_fd)
  max_fd = l->sock;
 DBG(("FD_SET(%d) (listening)", l->sock));
}

struct llhead  *lp, *tmp;
LL_FOREACH_SAFE(&listeners, lp, tmp) {
 l = LL_ENTRY(lp, struct listener, link);
 (void) closesocket(l->sock);
 LL_DEL(&l->link);
 free(l);
}

4 总结

• LL_ENTRY(P,T,N)宏是这一组宏的核心，其在具体使用中的功能可以概括为，通过传入链表节点P，还原出节点所在结构体的指针，进而能对结构体进行相应操作；
• 这一组双向链表宏其实形成的是一个循环双向链表；
• 这些宏最初是极客写出的，后来在Linux内核中被推广使用。

 

原文标题：嵌入式开发中100%会用的几个宏，建议收藏

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审核编辑：汤梓红