Linux内核部件分析<1>连通世界的list

/*此篇文章偏重于介绍linux中list相关的API， 偏重于原理*/

在linux内核中，有一种通用的双向循环链表，构成了各种队列的基础。链表的结构定义和相关函数均在include/linux/list.h中，下面就来全面的介绍这一链表的各种API。

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

这是链表的元素结构。因为是循环链表，表头和表中节点都是这一结构。有prev和next两个指针，分别指向链表中前一节点和后一节点。

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

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

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

在初始化的时候，链表头的prev和next都是指向自身的。

static inline void __list_add(struct list_head *new,
                  struct list_head *prev,
                  struct list_head *next) //此函数实现把new这个节点插到prev和next之间
{
    next->prev = new;
    new->next = next;
    new->prev = prev;
    prev->next = new;
}

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

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

双向循环链表的实现，很少有例外情况，基本都可以用公共的方式来处理。这里无论是加第一个节点，还是其它的节点，使用的方法都一样。

另外，链表API实现时大致都是分为两层：一层外部的，如list_add、list_add_tail，用来消除一些例外情况，调用内部实现；

一层是内部的，函数名前会加双下划线，如__list_add，往往是几个操作公共的部分，或者排除例外后的实现。

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

static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    entry->next = LIST_POISON1;
    entry->prev = LIST_POISON2;
}

static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    INIT_LIST_HEAD(entry);
}

list_del是链表中节点的删除。之所以在调用__list_del后又把被删除元素的next、prev指向特殊的LIST_POSITION1和LIST_POSITION2，是为了调试未定义的指针。

list_del_init则是删除节点后，随即把节点中指针再次初始化，这种删除方式更为实用。

static inline void list_replace(struct list_head *old,
                struct list_head *new)
{
    new->next = old->next;
    new->next->prev = new;
    new->prev = old->prev;
    new->prev->next = new;
}

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

list_replace是将链表中一个节点old，替换为另一个节点new。从实现来看，即使old所在地链表只有old一个节点，new也可以成功替换，这就是双向循环链表可怕的通用之处。

list_replace_init将被替换的old随即又初始化。

static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
    __list_del(list->prev, list->next);
    list_add(list, head);
}

static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
                  struct list_head *head)
{
    __list_del(list->prev, list->next);
    list_add_tail(list, head);
}

list_move的作用是把list节点从原链表中去除，并加入新的链表head中。

list_move_tail只在加入新链表时与list_move有所不同，list_move是加到head之后的链表头部，而list_move_tail是加到head之前的链表尾部。

static inline int list_is_last(const struct list_head *list,
                const struct list_head *head)
{
    return list->next == head;
}

list_is_last 判断list是否处于head链表的尾部。

static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}

static inline int list_empty_careful(const struct list_head *head)
{
    struct list_head *next = head->next;
    return (next == head) && (next == head->prev);
}

list_empty 判断head链表是否为空，为空的意思就是只有一个链表头head。

list_empty_careful 同样是判断head链表是否为空，只是检查更为严格。

static inline int list_is_singular(const struct list_head *head)
{
    return !list_empty(head) && (head->next == head->prev);
}

list_is_singular 判断head中是否只有一个节点，即除链表头head外只有一个节点。

static inline void __list_cut_position(struct list_head *list,
        struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
    struct list_head *new_first = entry->next;
    list->next = head->next;
    list->next->prev = list;
    list->prev = entry;
    entry->next = list;
    head->next = new_first;
    new_first->prev = head;
}

static inline void list_cut_position(struct list_head *list,
        struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
    if (list_empty(head))
        return;
    if (list_is_singular(head) &&
        (head->next != entry && head != entry))
        return;
    if (entry == head)
        INIT_LIST_HEAD(list);
    else
        __list_cut_position(list, head, entry);
}

list_cut_position 用于把head链表分为两个部分。从head->next一直到entry被从head链表中删除，加入新的链表list。新链表list应该是空的，或者原来的节点都可以被忽略掉。可以看到，list_cut_position中排除了一些意外情况，保证调用__list_cut_position时至少有一个元素会被加入新链表。

static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
                 struct list_head *prev,
                 struct list_head *next)
{
    struct list_head *first = list->next;
    struct list_head *last = list->prev;

    first->prev = prev;
    prev->next = first;

    last->next = next;
    next->prev = last;
}

static inline void list_splice(const struct list_head *list,
                struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list))
        __list_splice(list, head, head->next);
}

static inline void list_splice_tail(struct list_head *list,
                struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list))
        __list_splice(list, head->prev, head);
}

list_splice的功能和list_cut_position正相反，它合并两个链表。list_splice把list链表中的节点加入head链表中。在实际操作之前，要先判断list链表是否为空。它保证调用__list_splice时list链表中至少有一个节点可以被合并到head链表中。

list_splice_tail只是在合并链表时插入的位置不同。list_splice是把原来list链表中的节点全加到head链表的头部，而list_splice_tail则是把原来list链表中的节点全加到head链表的尾部。

static inline void list_splice_init(struct list_head *list,
                    struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list)) {
        __list_splice(list, head, head->next);
        INIT_LIST_HEAD(list);
    }
}

static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list,
                     struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list)) {
        __list_splice(list, head->prev, head);
        INIT_LIST_HEAD(list);
    }
}

list_splice_init 除了完成list_splice的功能，还把变空了的list链表头重新初始化。

list_splice_tail_init 除了完成list_splice_tail的功能，还吧变空了得list链表头重新初始化。

list操作的API大致如以上所列，包括链表节点添加与删除、节点从一个链表转移到另一个链表、链表中一个节点被替换为另一个节点、链表的合并与拆分、查看链表当前是否为空或者只有一个节点。接下来，是操作链表遍历时的一些宏，我们也简单介绍一下。

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

list_entry主要用于从list节点查找其内嵌在的结构。比如定义一个结构struct A{ struct list_head list; }; 如果知道结构中链表的地址ptrList，就可以从ptrList进而获取整个结构的地址(即整个结构的指针) struct A *ptrA = list_entry(ptrList, struct A, list);

这种地址翻译的技巧是linux的拿手好戏，container_of随处可见，只是链表节点多被封装在更复杂的结构中，使用专门的list_entry定义也是为了使用方便。

#define list_first_entry(ptr, type, member) \
    list_entry((ptr)->next, type, member)

list_first_entry是将ptr看完一个链表的链表头，取出其中第一个节点对应的结构地址。使用list_first_entry是应保证链表中至少有一个节点。

#define list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \
            pos = pos->next)

list_for_each循环遍历链表中的每个节点，从链表头部的第一个节点，一直到链表尾部。中间的prefetch是为了利用平台特性加速链表遍历，在某些平台下定义为空，可以忽略。

#define __list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

__list_for_each与list_for_each没什么不同，只是少了prefetch的内容，实现上更为简单易懂。

#define list_for_each_prev(pos, head) \
    for (pos = (head)->prev; prefetch(pos->prev), pos != (head); \
            pos = pos->prev)

list_for_each_prev与list_for_each的遍历顺序相反，从链表尾逆向遍历到链表头。

#define list_for_each_safe(pos, n, head) \
    for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
        pos = n, n = pos->next)

list_for_each_safe 也是链表顺序遍历，只是更加安全。即使在遍历过程中，当前节点从链表中删除，也不会影响链表的遍历。参数上需要加一个暂存的链表节点指针n。

#define list_for_each_prev_safe(pos, n, head) \
    for (pos = (head)->prev, n = pos->prev; \
         prefetch(pos->prev), pos != (head); \
         pos = n, n = pos->prev)

list_for_each_prev_safe 与list_for_each_prev同样是链表逆序遍历，只是加了链表节点删除保护。

#define list_for_each_entry(pos, head, member)              \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);   \
         prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);  \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry不是遍历链表节点，而是遍历链表节点所嵌套进的结构。这个实现上较为复杂，但可以等价于list_for_each加上list_entry的组合。

#define list_for_each_entry_reverse(pos, head, member)          \
    for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member);   \
         prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head);  \
         pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_reverse 是逆序遍历链表节点所嵌套进的结构，等价于list_for_each_prev加上list_etnry的组合。

#define list_for_each_entry_continue(pos, head, member)         \
    for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);   \
         prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);  \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_continue也是遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表头开始，而是从结构指针的下一个结构开始，一直到链表尾部。

#define list_for_each_entry_continue_reverse(pos, head, member)     \
    for (pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member);   \
         prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head);  \
         pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_continue_reverse 是逆序遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表尾开始，而是从结构指针的前一个结构开始，一直到链表头部。

#define list_for_each_entry_from(pos, head, member)             \
    for (; prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);    \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_from 是从当前结构指针pos开始，顺序遍历链表上的结构指针。

#define list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)          \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member),   \
        n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);  \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe 也是顺序遍历链表上节点嵌套的结构。只是加了删除节点的保护。

#define list_for_each_entry_safe_continue(pos, n, head, member)         \
    for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member),       \
        n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);      \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_continue 是从pos的下一个结构指针开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。

#define list_for_each_entry_safe_from(pos, n, head, member)             \
    for (n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);     \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_from 是从pos开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。 

#define list_for_each_entry_safe_reverse(pos, n, head, member)      \
    for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member),   \
        n = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member);  \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.prev, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_reverse 是从pos的前一个结构指针开始，逆序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。

至此为止，我们介绍了linux中双向循环链表的结构、所有的操作函数和遍历宏定义。相信以后在linux代码中遇到链表的使用，不会再陌生。

http://www.linuxidc.com/Linux/2011-10/44627.htm