Linux内核代码赏析与应用(二)－链表之实现
时间:2009-03-05 22:49:13 来源:本站收集整理 作者:陈莉君
抽象是软件设计中一项基本技术，如上所述，在众多数据结构中，选取双向链表作为基本数据结构，这就是一种提取和抽象。
1. 简约而又不简单的链表定义
于双向链表而言，内核中定义了如下简单结构：
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
这个不含任何数据项的结构，注定了它的通用性和未来使用的灵活性，例如前面的例子就可以按如下方式定义：
1）list字段，隐藏了链表的指针特性，但正是它，把我们要链接的数据组织成了链表。
2）struct list_head可以位于结构的任何位置
3）可以给struct list_head起任何名字。
4）在一个结构中可以有多个list
例如，我们对要完成的任务进行描述，而任务中又包含子任务，于是有如下结构：
2. 链表的声明和初始化宏
在list.h中定义的函数大都是 staitic inline f()形式？为什么这样定义？
关键字“static”加在函数前，表示这个函数是静态函数，所谓静态函数，实际上是对函数作用域的限制，指该函数的作用域仅
局限于本文件。所以说，static具有信息隐藏作用。
而关键字"inline“加在函数前，说明这个函数对编译程序是可见的，也就是说，编译程序在调用这个函数时就立即展开该函数。所以，关键字inline 必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联。inline函数一般放在头文件中。
4. 无处不在的隐藏特性
我们分析一下在链表中增加一个节点的函数实现：
有三个函数：
static inline void __list_add();
static inline void list_add();
static inline void list_add_tail();
-------------------------------------------------------------------------------------------------
/*
* 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;
}
--------------------------------------------------------------------------------------------------
/**
* 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_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);
}
--------------------------------------------------------------------------------------------------
仔细体会其实现代码，看起来简单有效，但实际上也是一种抽象和封装的体现。首先__list_add()函数做基本的操作，该函数仅仅是增加一个节点，至于这个节点加到何处，暂不考虑。list_add（）调用__list_add()这个内部函数，在链表头增加一个节点，实际上实现了栈在头部增加节点的操作，而list_add_tail()在尾部增加一个节点，实际上实现了队的操作。
至于链表的删除、搬移和合并，比较简单，不再此一一讨论
5. 链表遍历－似走过千山万水
遍历链表本是简单的，list.h中就定义了如下的宏：
--------------------------------------------------------------------------------------------------
**
* list_for_each - iterate over a list
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @head: the head for your list.
*/
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); \
pos = pos->next)
--------------------------------------------------------------------------------------------------
这种遍历仅仅是找到一个个节点在链表中的位置pos，难点在于，如何通过pos获得节点的地址，从而可以使用节点中的数据？ 于是 list.h中定义了晦涩难懂的list_entry（）宏：
--------------------------------------------------------------------------------------------------
/**
* 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) \
((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)->member)))
--------------------------------------------------------------------------------------------------
指针ptr指向结构体type中的成员member；通过指针ptr，返回结构体type的起始地址，如图2。
type
|----------|
| |
| |
|----------|
ptr--> | member --|
|----------|
| |
| |
|----------|
图2 list_entry（）宏的示意图
为了便于理解，在此给予进一步说明。
例如my_list结构：
则list_entry(pos, mylist, list)宏，就可以根据pos的值，获取mylist的地址，也就是指向mylist的指针，这样，我们就可以存取mylist->mydata字段了。
可为什么能够达到这样的效果？
list_entry(pos, mylist, list) 展开以后为：
((struct my_list *)((char *)(pos) - (unsigned long)(&((struct my_list *)0)->list)))
这看起来会使大多数人眩晕，但仔细分析一下，实际很简单。
((size_t) &(type *)0)->member)把0地址转化为type结构的指针，然后获取该结构中member成员的指针，并将其强制转换为size_t类型。于是，由于结构从0地址开始定义，因此，这样求出member的成员地址，实际上就是它在结构中的偏移量。为了更好的理解这些，我们可以写一段程序来验证:
---------------------------------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
----------------------------------------------------------------------------------------
到此，我们对链表的实现机制有所了解，但在此止步的话，我们依然无法领略这风景背后的韵味。
尽管list.h是内核代码中的头文件，但我们可以把它移植到用户空间使用。且看下一讲，链表接口之应用。
1. 简约而又不简单的链表定义
于双向链表而言，内核中定义了如下简单结构：
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
这个不含任何数据项的结构，注定了它的通用性和未来使用的灵活性，例如前面的例子就可以按如下方式定义：
struct my_list{在此，进一步说明几点：
void *mydata;
struct list_head list;
};
1）list字段，隐藏了链表的指针特性，但正是它，把我们要链接的数据组织成了链表。
2）struct list_head可以位于结构的任何位置
3）可以给struct list_head起任何名字。
4）在一个结构中可以有多个list
例如，我们对要完成的任务进行描述，而任务中又包含子任务，于是有如下结构：
-----------------------------------------------------------------------简约而又不简单struct list_head，以此为基本对象，就衍生了对链表的插入、删除、合并以及遍历等各种操作：
struct todo_tasks{
char *task_name;
unsigned int name_len;
short int status;
int sub_tasks;
int subtasks_completed;
struct list_head completed_subtasks;/* 已完成的子任务形成链表 */
int subtasks_waiting;
struct list_head waiting_subtasks; /* 待完成的子任务形成链表 */
struct list_head todo_list; /* 要完成的任务形成链表 */
};
-----------------------------------------------------------------------
2. 链表的声明和初始化宏
实际上， struct list_head只定义了链表节点，并没有专门定义链表头，那么一个链表结构是如何建立起来的？让我们来看看下面两个宏：
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
如果我们要申明并定义自己的链表头mylist，直接调用LIST_HEAD：
LIST_HEAD(mylist)
则mylist的next、prev指针都初始化为指向自己，这样，我们就有了一个空链表，如何判断链表是否为空，自己写一下这个简单的函数list_empty ，也就是让头指针的next指向自己而已。
在list.h中定义的函数大都是 staitic inline f()形式？为什么这样定义？
关键字“static”加在函数前，表示这个函数是静态函数，所谓静态函数，实际上是对函数作用域的限制，指该函数的作用域仅
局限于本文件。所以说，static具有信息隐藏作用。
而关键字"inline“加在函数前，说明这个函数对编译程序是可见的，也就是说，编译程序在调用这个函数时就立即展开该函数。所以，关键字inline 必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联。inline函数一般放在头文件中。
4. 无处不在的隐藏特性
我们分析一下在链表中增加一个节点的函数实现：
有三个函数：
static inline void __list_add();
static inline void list_add();
static inline void list_add_tail();
-------------------------------------------------------------------------------------------------
/*
* 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;
}
--------------------------------------------------------------------------------------------------
/**
* 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_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);
}
--------------------------------------------------------------------------------------------------
仔细体会其实现代码，看起来简单有效，但实际上也是一种抽象和封装的体现。首先__list_add()函数做基本的操作，该函数仅仅是增加一个节点，至于这个节点加到何处，暂不考虑。list_add（）调用__list_add()这个内部函数，在链表头增加一个节点，实际上实现了栈在头部增加节点的操作，而list_add_tail()在尾部增加一个节点，实际上实现了队的操作。
至于链表的删除、搬移和合并，比较简单，不再此一一讨论
5. 链表遍历－似走过千山万水
遍历链表本是简单的，list.h中就定义了如下的宏：
--------------------------------------------------------------------------------------------------
**
* list_for_each - iterate over a list
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @head: the head for your list.
*/
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); \
pos = pos->next)
--------------------------------------------------------------------------------------------------
这种遍历仅仅是找到一个个节点在链表中的位置pos，难点在于，如何通过pos获得节点的地址，从而可以使用节点中的数据？ 于是 list.h中定义了晦涩难懂的list_entry（）宏：
--------------------------------------------------------------------------------------------------
/**
* 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) \
((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)->member)))
--------------------------------------------------------------------------------------------------
指针ptr指向结构体type中的成员member；通过指针ptr，返回结构体type的起始地址，如图2。
type
|----------|
| |
| |
|----------|
ptr--> | member --|
|----------|
| |
| |
|----------|
图2 list_entry（）宏的示意图
为了便于理解，在此给予进一步说明。
例如my_list结构：
struct my_list{struct list_head *pos;
void *mydata;
struct list_head list;
};
则list_entry(pos, mylist, list)宏，就可以根据pos的值，获取mylist的地址，也就是指向mylist的指针，这样，我们就可以存取mylist->mydata字段了。
可为什么能够达到这样的效果？
list_entry(pos, mylist, list) 展开以后为：
((struct my_list *)((char *)(pos) - (unsigned long)(&((struct my_list *)0)->list)))
这看起来会使大多数人眩晕，但仔细分析一下，实际很简单。
((size_t) &(type *)0)->member)把0地址转化为type结构的指针，然后获取该结构中member成员的指针，并将其强制转换为size_t类型。于是，由于结构从0地址开始定义，因此，这样求出member的成员地址，实际上就是它在结构中的偏移量。为了更好的理解这些，我们可以写一段程序来验证:
---------------------------------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>Output from this code is:
struct foobar{
unsigned int foo;
char bar;
char boo;
};
int main(int argc, char** argv){
struct foobar tmp;
printf("address of &tmp is= %p\n\n", &tmp);
printf("address of tmp->foo= %p \t offset of tmp->foo= %lu\n", &tmp.foo, (unsigned long) &((struct foobar *)0)->foo);
printf("address of tmp->bar= %p \t offset of tmp->bar= %lu\n", &tmp.bar, (unsigned long) &((struct foobar *)0)->bar);
printf("address of tmp->boo= %p \t offset of tmp->boo= %lu\n\n", &tmp.boo, (unsigned long) &((struct foobar *)0)->boo);
printf("computed address of &tmp using:\n");
printf("\taddress and offset of tmp->foo= %p\n",
(struct foobar *) (((char *) &tmp.foo) - ((unsigned long) &((struct foobar *)0)->foo)));
printf("\taddress and offset of tmp->bar= %p\n",
(struct foobar *) (((char *) &tmp.bar) - ((unsigned long) &((struct foobar *)0)->bar)));
printf("\taddress and offset of tmp->boo= %p\n",
(struct foobar *) (((char *) &tmp.boo) - ((unsigned long) &((struct foobar *)0)->boo)));
return 0;
}
address of &tmp is= 0xbfffed00
address of tmp->foo= 0xbfffed00 offset of tmp->foo= 0
address of tmp->bar= 0xbfffed04 offset of tmp->bar= 4
address of tmp->boo= 0xbfffed05 offset of tmp->boo= 5
computed address of &tmp using:
address and offset of tmp->foo= 0xbfffed00
address and offset of tmp->bar= 0xbfffed00
address and offset of tmp->boo= 0xbfffed00
----------------------------------------------------------------------------------------
到此，我们对链表的实现机制有所了解，但在此止步的话，我们依然无法领略这风景背后的韵味。
尽管list.h是内核代码中的头文件，但我们可以把它移植到用户空间使用。且看下一讲，链表接口之应用。
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