一文搞懂Linux内核链表

hello 大家好，今天给大家介绍一下linux 内核链表的分析，在写这篇文章前，笔者自己以前也只是停留在应用层面，没有深究其中的细节，很多也是理解的不是很透彻。写完此文后，发现对链表的理解更加深刻了。很多现代计算机的思想在内核里面都有体现。

在 Linux 内核中使用最多的数据结构就是链表了，其中就包含了许多高级思想。比如面向对象、类似C++模板的实现、堆和栈的实现。

1. 链表简介

链表是一种常用的组织有序数据的数据结构，它通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，是线性表的一种重要实现方式。

优点：相对于数组，链表具有更好的动态性，建立链表时无需预先知道数据总量，可以随机分配空间，可以高效的在链表中的任意位置实时插入或者删除数据。

缺点：访问的顺序性和组织链的空间损失。

组成：通常链表数据结构至少应包括两个域，数据域和指针域。数据域用于存储数据，指针域用于建立与下一个节点的联系。

分类：按照指针域的组成以及各节点的联系形式分为，单链表、双链表、循环链表等多种组织形式。

1.1 单链表

如下图，为单链表。它的特点是仅有一个指针域指向后继节点（next）。对单链表的遍历只能从头至尾顺序进行。

1.2 双链表

对比单链表，双链表多了一个指针域。分为前驱（prev）和后继（next）指针。

双链表可以从两个方向遍历，这是它区别于单链表的地方。如果打乱前驱、后继的依赖关系，就可以构成"二叉树"；

如果再让首节点的前驱指向链表尾节点、尾节点的后继指向首节点就构成了循环链表；

如果设计更多的指针域，就可以构成各种复杂的树状数据结构。

1.3 循环链表

循环链表的特点是尾节点的后继指向首节点。如下图是双循环链表示意图，它的特点是从任意一个节点出发，沿两个方向的任何一个，都能找到链表中的任意一个数据。如果去掉前驱指针，就是单循环链表。

2. 内核链表

在Linux内核中使用了大量的链表结构来组织数据，包括设备列表以及各种功能模块中的数据组织。这些链表大多采用在[include/linux/list.h]实现的一个相当精彩的链表数据结构。事实上，内核链表就是采用双循环链表机制。

内核链表有别于传统链表就在节点本身不包含数据域，只包含指针域。故而可以很灵活的拓展数据结构。

2.1 神奇的结构：list_head

要了解内核链表，就不得不提 list_head。这个结构很有意思，整个结构没有数据域，只有两个指针域。

这个结构本身意义不大，不过在内核链表中，起着整个衔接作用，可以说是内核链表的核心不为过。

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

2.2 链表初始化

内核提供多种方式来初始化链表：宏初始化和接口初始化。

宏初始化

LIST_HEAD_HEAD_INIT 宏设计的很精妙。这个宏本身不包含任何数据类型，也就是说没有限定唯一的数据类型，这就使得整个链表足够灵活。是不是有点C++模板的意思？

对于任意给定的结构指针，将【前驱】和【后继】指针都指向自己，作为链表头指针。

LIST_HEAD 宏本质就是赋予了 name 于【struct list_head】属性，由于 list_head 本身不包含数据域，所以搭配 LIST_HEAD_HEAD_INIT 宏，就使得整个链表上的数据更加灵活。具备通用性。

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) 
   struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

接口初始化

接口操作就比较直接明了，基本上和宏实现的意图一样。直接将链表头指针的前驱和后继都指向自己

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

我们以示例来补充说明，这样有助于大家辅助理解：

// 1. 链表节点初始化，前驱和后继都指向自己（初始化）
struct list = LIST_HEAD(list);

前面说了 list_head 只有指针域，没有数据域，如果只是这样就没有什么意义了。所以我们需要创建一个宿主结构，然后再再此结构包含 list 字段，宿主结构，也有其他字段（进程描述符，页面管理结构等都是采用这种方法创建链表的）。假设定义如下：

struct my_data_list {
    int data ;
    struct list_head list; /* list head , 这个至关重要，后期遍历通过container_of 解析my_data_list 地址 */
};

创建一个节点：

struct my_data_list first_data =
{ 
    .val = 1,
    /* 这里有点绕，事实上就是将first_data.list , 前驱和后继都指向自己进行初始化 */
    .list = LIST_HEAD_INIT(first_data.list),
};

这里 list 的 prev 和 next 都指向list 自己了，并且list 属于 my_data_list 的成员。只需要遍历到lst 节点就能根据前面讲的 container_of 推导得到其宿主结构的地址，从而访问val值，如果有其他方法，也可访问。

分析到这里，应该逐渐明晰，为何list_head 设计很有意思？为什么链表本身不包含数据域，却能衍生出无数数据类型，不受特定的数据类型限制。

2.3 添加节点

内核相应的提供了添加节点的接口：

list_add

list_add 如下，最终调用的是__list_add 函数，根据注释可知，list_add 是头部插入，总是在链表的头部插入一个新的节点。

list_add

/**
 * list_add - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it after
 *
 * Insert a new entry after the specified head.
 * This is good for implementing stacks.
 */
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
   __list_add(new, head, head->next);
}

__list_add

/*
 * Insert a new entry between two known consecutive entries.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
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;
}

我们再以示例补充说明：

首先创建一个链表头：listHead

LIST_HEAD(listHead);

然后再创建第一个链表节点：

struct my_data_list first_data =
{ 
    .val = 1,
    .list = LIST_HEAD_INIT(first_data.list),
};

接着把这个节点插入到 listHead 后

list_add(&frist_data.list, &listHead);

紧接着我们再创建第二个节点：

struct my_data_list second_data =
{ 
    .val = 2,
    /* 也可以调用接口 初始化*/
    .list = LIST_HEAD_INIT(second_data.list),
};

list_add(&second_data.list, &listHead);

示意图如下：

以此类推，每次插入一个新节点，都是紧靠着header节点，而之前插入的节点依次排序靠后，那最后一个节点则是第一次插入header后的那个节点。

可以看出：先来的节点靠后，而后来的节点靠前，符合“先进后出，后进先出”。所以此种结构类似于 stack“栈”，类似于内核stack中的栈顶指针esp，它都是紧靠着最后push到栈的元素。

list_add_tail

再看内核另外一种插入方式，本质都是调用__lis_add。不同的是，一个是头部插入，一个是尾部插入。

/**
 * list_add_tail - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it before
 *
 * Insert a new entry before the specified head.
 * This is useful for implementing queues.
 */
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
   __list_add(new, head->prev, head);
}

我们还是以示例辅助说明：

首先创建一个链表头：

LIST_HEAD(listHead);

然后创建第一个节点

struct my_data_list first_data =
{ 
    .val = 1,
    .list = LIST_HEAD_INIT(first_data.list),
};

插入第一个节点：

list_add_tail(&first_data.list, listHead);

紧接着插入第二个节点：

struct my_data_list second_data =
{ 
    .val = 2,
    /* 也可以调用接口 初始化*/
    .list = LIST_HEAD_INIT(second_data.list),
};

list_add_tail(&second_data.list, &listHead);

示意图如下：

每次插入的新节点都是紧挨着 header 表尾，而插入的第一个节点排在了第一位，第二个排在了第二位。

先插入的节点排在前面，后插入的节点排在后面，“先进先出，后进后出”（First in First out,FIFO）！这不就是队列吗？

总结

由于是双循环链表，看起来尾部插入和头部插入是一样的，其实不然。

我们再来对比尾部和头部插入的区别：

头部插入，结构是逆序，属于先进后出，最主要的区别就是头节点的prev指针指向第一个节点。

尾部插入，结构是顺序，属于FIFO结构，最主要的区别就是头节点的next指针指向第一个节点。

list_add：头部插入一个节点

list_add_tail：尾部插入一个节点

2.4 删除节点

内核同样定义了删除节点的接口 list_del

list_del：

static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    /* __list_del_entry(entry) 也行*/
   __list_del(entry->prev, entry->next);
    
    /* 指向特定的位置，反初始化 */
   entry->next = LIST_POISON1;
   entry->prev = LIST_POISON2;
}

__list_del：这个接口，根据prev/next 删除其节点，删除的节点必须是已知的并且 prev 和 next 不为空

/*
 * Delete a list entry by making the prev/next entries
 * point to each other.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
 next->prev = prev;
 prev->next = next;
}

__list_del_entry：删除一个节点。

/**
 * list_del - deletes entry from list.
 * @entry: the element to delete from the list.
 * Note: list_empty() on entry does not return true after this, the entry is
 * in an undefined state.
 */
static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
{
   __list_del(entry->prev, entry->next);
}

/**
 * list_del_init - deletes entry from list and reinitialize it.
 * @entry: the element to delete from the list.
 */
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
 __list_del_entry(entry);
 INIT_LIST_HEAD(entry);
}

利用list_del(struct list_head *entry) 接口就可以删除链表中的任意节点了，需注意，前提条件是这个节点是已知的，既在链表中真实存在，切prev，next指针都不为NULL。

被剔除下来的 my_data_list.list，prev、next 指针分别被设为 LIST_POSITION2和LIST_POSITION1两个特殊值，这样设置是为了保证不在链表中的节点项不可访问–对LIST_POSITION1和LIST_POSITION2的访问都将引起页故障。

与之相对应，list_del_init()函数将节点从链表中解下来之后，调用LIST_INIT_HEAD()将节点置为空链状态。

list_del() 和 list_del_init 是外部接口。__list_del() 和 __list_entry() 是内核内部节点。

list_del() 作用是删除双链表中的一个节点。并将节点的prev和next都指向特定位置，LIST_POSITION1和LIST_POSITION2。

list_del_init() 作用是删除双链表中的一个节点，并将节点的prev和next都指向自己，回到最开始创建节点前的状态。

2.5 搬移

内核提供了将原本属于一个链表的节点移动到另一个链表的操作，并根据插入到新链表的位置分为两类：头部搬移和尾部搬移。搬移的本质就是删除加插入。

头部搬移

/**
 * list_move - delete from one list and add as another's head
 * @list: the entry to move
 * @head: the head that will precede our entry
 */
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
   __list_del_entry(list);
   list_add(list, head);
}

尾部搬移

/**
 * list_move_tail - delete from one list and add as another's tail
 * @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);
}

2.6 合并

内核还提供两组合并操作，将两条链表合并在一起。

当 list1 被挂接到 list2 之后，作为原表头指针的 list1 的next、prev仍然指向原来的节点，为了避免引起混乱，Linux提供了一个list_splice_init()函数.该函数在将list合并到head链表的基础上，调用INIT_LIST_HEAD(list)将list设置为空链。

static inline void list_splice(const struct list_head *list, struct list_head *head);
static inline void list_splice_init(struct list_head *list, struct list_head *head);
static inline void list_splice_tail(const struct list_head *list, struct list_head *head);
static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list, struct list_head *head);

示意图如下：

另外一种方式类似，只不过合并时断开的位置有所不同

2.7 替换

内核还提供一组替换链表节点的操作。list_replace：将新的节点替换到旧的节点上。list_replace_init：将新的节点替换到旧的节点上。同时将旧的节点的prev和next指向自己，反初始化

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

2.8 遍历操作

内核提供了一组宏进行遍历操作。经过一系列的增删减改操作，我们终于到了遍历的时候。

list_entry 宏

重头戏来了，遍历的关键就是这个list_entry 宏。本质就是container_of 宏。

具体分析见上一篇文章。这个宏的主要作用就是获取宿主结构的指针地址。

前文提到，我们是以list 指针为节点组成的一条双链表，遍历的过程中只能得到list的地址，那么对于其所有者地址就是通过这个宏获取的。

/**
* list_entry - get the struct for this entry
* @ptr: the &struct list_head pointer.
* @type: the type of the struct this is embedded in.
* @member: the name of the list_struct within the struct.
*/
#define list_entry(ptr, type, member) 
   container_of(ptr, type, member)

/* 根据list 倒推 my_list_data*/
list_entry(&my_list_data.list, typeof(&my_list_data), list)

list_for_each

list_for_each 它实际上是一个for循环，利用传入的pos作为循环变量，从表头head开始，逐项向后（next方向）移动pos，直至又回到head

/**
 * list_for_each - iterate over a list
 * @pos: the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @head: the head for your list.
 */
#define list_for_each(pos, head) 
 for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

list_for_each_entry

遍历每一个list,然后获取其宿主结构地址.

/**
 * list_for_each_entry - iterate over list of given type
 * @pos: the type * to use as a loop cursor.
 * @head: the head for your list.
 * @member: the name of the list_struct within the struct.
 */
#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))

list_for_each_prev

反向遍历得到list.

/**
 * list_for_each_prev - iterate over a list backwards
 * @pos: the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @head: the head for your list.
 */
#define list_for_each_prev(pos, head) 
 for (pos = (head)->prev; pos != (head); pos = pos->prev)

list_for_each_entry_reverse

反向遍历得到list,然后获取其宿主结构地址。

/**
* list_for_each_entry_reverse - iterate backwards over list of given type.
* @pos: the type * to use as a loop cursor.
* @head: the head for your list.
* @member: the name of the list_struct within the struct.
*/
#define list_for_each_entry_reverse(pos, head, member)   
   for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member); 
        &pos->member != (head);  
        pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))

3. 总结

本文详细分析了 linux 内核中的双链表结构，以图文的方式旨在帮助大家理解。

当然还有很多接口限于篇幅没有介绍，本文只列出了常用了接口，相信只要理解了前面双链表的组成和插入过程，后面的删除和遍历就自然而然通了。