如何分析Linux內(nèi)核雙向鏈表

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)如何分析Linux內(nèi)核雙向鏈表，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

Linux中雙向鏈表是指將雙向鏈表節(jié)點(diǎn)嵌套在其它的結(jié)構(gòu)體中；在遍歷鏈表的時(shí)候，根據(jù)雙鏈表節(jié)點(diǎn)的指針獲取”它所在結(jié)構(gòu)體的指針”，從而再獲取數(shù)據(jù)。

首先讓我們看一下在 include/linux/types.h 里的主結(jié)構(gòu)體：

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

你可能注意到這和你以前見過的雙向鏈表的實(shí)現(xiàn)方法是不同的。

舉個(gè)例子來說，在 glib 庫里是這樣實(shí)現(xiàn)的：

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

通常來說一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)會包含一個(gè)指向某個(gè)項(xiàng)目的指針。

但是 Linux 內(nèi)核中的鏈表實(shí)現(xiàn)并沒有這樣做。所以問題來了：鏈表在哪里保存數(shù)據(jù)呢？實(shí)際上，內(nèi)核里實(shí)現(xiàn)的鏈表是侵入式鏈表（Intrusive list）。侵入式鏈表并不在節(jié)點(diǎn)內(nèi)保存數(shù)據(jù)-它的節(jié)點(diǎn)僅僅包含指向前后節(jié)點(diǎn)的指針，以及指向鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)部分的指針——數(shù)據(jù)就是這樣附加在鏈表上的。這就使得這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通用的，使用起來就不需要考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的類型了。

比如：

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

讓我們看幾個(gè)例子來理解一下在內(nèi)核里是如何使用 list_head 的。

如上所述，在內(nèi)核里有很多很多不同的地方都用到了鏈表。我們來看一個(gè)在雜項(xiàng)字符驅(qū)動里面的使用的例子。在 drivers/char/misc.c 的雜項(xiàng)字符驅(qū)動 API 被用來編寫處理小型硬件或虛擬設(shè)備的小驅(qū)動。這些驅(qū)動共享相同的主設(shè)備號：

 #define MISC_MAJOR 10

但是都有各自不同的次設(shè)備號。

比如：

 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

現(xiàn)在讓我們看看它是如何使用鏈表的。首先看一下結(jié)構(gòu)體 miscdevice：

 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; };

可以看到結(jié)構(gòu)體miscdevice的第四個(gè)變量list 是所有注冊過的設(shè)備的鏈表。

在源代碼文件的開始可以看到這個(gè)鏈表的定義：

 static LIST_HEAD(misc_list);

它實(shí)際上是對用list_head 類型定義的變量的擴(kuò)展。

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

然后使用宏 LIST_HEAD_INIT 進(jìn)行初始化，

這會使用變量name 的地址來填充prev和next 結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)變量。

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

現(xiàn)在來看看注冊雜項(xiàng)設(shè)備的函數(shù)misc_register。

它在一開始就用函數(shù) INIT_LIST_HEAD 初始化了miscdevice->list。

 INIT_LIST_HEAD(&misc->list);

作用和宏LIST_HEAD_INIT一樣。

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

接下來，在函數(shù)device_create 創(chuàng)建了設(shè)備后，

我們就用下面的語句將設(shè)備添加到設(shè)備鏈表：

 list_add(&misc->list, &misc_list);

內(nèi)核文件list.h 提供了向鏈表添加新項(xiàng)的 API 接口。

我們來看看它的實(shí)現(xiàn)：

 static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) { __list_add(new, head, head->next); }

實(shí)際上就是使用3個(gè)指定的參數(shù)來調(diào)用了內(nèi)部函數(shù)__list_add：  

new – 新項(xiàng)。 head – 新項(xiàng)將會插在head的后面 head->next – 插入前，head 后面的項(xiàng)。 __list_add的實(shí)現(xiàn)非常簡單：

 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; }

這里，我們在prev和next 之間添加了一個(gè)新項(xiàng)。

所以我們開始時(shí)用宏LIST_HEAD_INIT定義的misc 鏈表會包含指向miscdevice->list 的向前指針和向后指針。 這兒還有一個(gè)問題：如何得到列表的內(nèi)容呢？這里有一個(gè)特殊的宏：

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

使用了三個(gè)參數(shù)：

ptr – 指向結(jié)構(gòu) list_head 的指針； type – 結(jié)構(gòu)體類型; member – 在結(jié)構(gòu)體內(nèi)類型為list_head 的變量的名字；

比如：

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

然后我們就可以使用p->minor 或者 p->name來訪問miscdevice。讓我們來看看list_entry 的實(shí)現(xiàn)：

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

如我們所見，它僅僅使用相同的參數(shù)調(diào)用了宏container_of。初看這個(gè)宏挺奇怪的：

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

首先你可以注意到花括號內(nèi)包含兩個(gè)表達(dá)式。

編譯器會執(zhí)行花括號內(nèi)的全部語句，然后返回最后的表達(dá)式的值。

比如：

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

最終會打印出2。

下一點(diǎn)就是typeof,它也很簡單。

就如你從名字所理解的，它僅僅返回了給定變量的類型。當(dāng)我第一次看到宏container_of的實(shí)現(xiàn)時(shí)，讓我覺得最奇怪的就是表達(dá)式((type *)0)中的0。實(shí)際上這個(gè)指針巧妙的計(jì)算了從結(jié)構(gòu)體特定變量的偏移，這里的0剛好就是位寬里的零偏移。

比如：

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

結(jié)果顯示0x5。

下一個(gè)宏offsetof會計(jì)算從結(jié)構(gòu)體起始地址到某個(gè)給定結(jié)構(gòu)字段的偏移。

它的實(shí)現(xiàn)和上面類似： #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) 現(xiàn)在我們來總結(jié)一下宏container_of。只需給定結(jié)構(gòu)體中l(wèi)ist_head類型 字段的地址、名字和結(jié)構(gòu)體容器的類型，它就可以返回結(jié)構(gòu)體的起始地址。在宏定義的第一行，聲明了一個(gè)指向結(jié)構(gòu)體成員變量ptr的指針mptr，并且把ptr 的地址賦給它?，F(xiàn)在ptr 和mptr 指向了同一個(gè)地址。從技術(shù)上講我們并不需要這一行，但是它可以方便地進(jìn)行類型檢查。第一行保證了特定的結(jié)構(gòu)體（參數(shù)type）包含成員變量member。第二行代碼會用宏offsetof計(jì)算成員變量相對于結(jié)構(gòu)體起始地址的偏移，然后從結(jié)構(gòu)體的地址減去這個(gè)偏移，最后就得到了結(jié)構(gòu)體。

當(dāng)然了list_add 和 list_entry不是

提供的唯一功能。雙向鏈表的實(shí)現(xiàn)還提供了如下API：

 list_add list_add_tail list_del list_replace list_move list_is_last list_empty list_cut_position list_splice list_for_each list_for_each_entry

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