Linux內(nèi)核中的數(shù)據(jù)雙鏈表如何理解

這篇文章給大家介紹Linux內(nèi)核中的數(shù)據(jù)雙鏈表如何理解，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

Linux 內(nèi)核中自己實(shí)現(xiàn)了雙向鏈表，可以在 include/linux/list.h 找到定義。我們將會首先從雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始介紹內(nèi)核里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為什么？因?yàn)樗趦?nèi)核里使用的很廣泛，你只需要在 free-electrons.com 檢索一下就知道了。

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：

#includeint 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：

#includestruct 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

除此之外還有很多其它API。

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