Linux链表分析.docx

1、Linux链表分析Linux内核链表分析本文详细分析了 2.6.x 内核中链表结构的实现，并通过实例对每个链表操作接口进行了详尽的讲解。 一、 链表数据结构简介 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。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，可以高效地在链表中的任意位置实时插入或删除数据。链表的开销主要是访问的顺序性和组织链的空间损失。 通常链表数据结构至少应包含两个域：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。按照指针域的组织以及各个节点之间的联系形

2、式，链表又可以分为单链表、双链表、循环链表等多种类型，下面分别给出这几类常见链表类型的示意图： 1. 单链表 图 1 单链表 单链表是最简单的一类链表，它的特点是仅有一个指针域指向后继节点（next），因此，对单链表的遍历只能从头至尾（通常是 NULL 空指针）顺序进行。 2. 双链表 图 2 双链表 通过设计前驱和后继两个指针域，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（如图2中虚线部分），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。 3. 循环

3、链表 循环链表的特点是尾节点的后继指向首节点。前面已经给出了双循环链表的示意图，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。 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。本文的后继部分就将通过示例详细介绍这一数据结构的组织和使用。 二、 Linux 2.6 内核链表数据结构的实现 尽管这里使用2.6内核作为讲解的基础，但实际上 2.4 内核中的链表结构和 2.6 并没有什么区别。不同之

4、处在于 2.6 扩充了两种链表数据结构：链表的读拷贝更新（rcu）和 HASH 链表（hlist）。这两种扩展都是基于最基本的 list 结构，因此，本文主要介绍基本链表结构，然后再简要介绍一下 rcu 和 hlist。 链表数据结构的定义很简单（节选自 include/linux/list.h，以下所有代码，除非加以说明，其余均取自该文件）： struct list_head struct list_head *next, *prev; ; list_head 结构包含两个指向 list_head 结构的指针 prev 和 next，由此可见，内核的链表具备双链表功能，实际上，通常它都组织成

5、双循环链表。 和第一节介绍的双链表结构模型不同，这里的 list_head 没有数据域。在 Linux 内核链表中，不是在链表结构中包含数据，而是在数据结构中包含链表节点。 在数据结构课本中，链表的经典定义方式通常是这样的（以单链表为例）： struct list_node struct list_node *next; ElemTypedata; ; 因为 ElemType 的缘故，对每一种数据项类型都需要定义各自的链表结构。有经验的 C+ 程序员应该知道，标准模板库中的 采用的是 C+ Template，利用模板抽象出和数据项类型无关的链表操作接口。 在 Linux 内核链表中，需要用链表

6、组织起来的数据通常会包含一个 struct list_head 成员，例如在 include/linux/netfilter.h 中定义了一个 nf_sockopt_ops 结构来描述 Netfilter 为某一协议族准备的 getsockopt/setsockopt 接口，其中就有一个（struct list_head list）成员，各个协议族的 nf_sockopt_ops 结构都通过这个 list 成员组织在一个链表中，表头是定义在 net/core/netfilter.c 中的 nf_sockopts（struct list_head）。从下图中我们可以看到，这种通用的链表结构避免了

7、为每个数据项类型定义自己的链表的麻烦。 Linux 的简捷实用、不求完美和标准的风格，在这里体现得相当充分。 图 3 nf_sockopts 链表示意图 三、 链表操作接口 1. 声明和初始化 实际上 Linux 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呢？让我们来看看 LIST_HEAD() 这个宏： #define LIST_HEAD_INIT(name) &(name), &(name) #define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name) 当我们用 LIST_HEAD(n

8、f_sockopts) 声明一个名为 nf_sockopts 的链表头时，它的 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，因为 Linux 用头指针的 next 是否指向自己来判断链表是否为空： static inline int list_empty(const struct list_head *head) return head-next = head; 除了用 LIST_HEAD() 宏在声明的时候初始化一个链表以外，Linux 还提供了一个 INIT_LIST_HEAD 宏用于运行时初始化链表： #define INIT_LIST_HEAD(ptr) d

9、o (ptr)-next = (ptr); (ptr)-prev = (ptr); while (0)我们用 INIT_LIST_HEAD(&nf_sockopts) 来使用它。 2. 插入/删除/合并 a) 插入 对链表的插入操作有两种：在表头插入和在表尾插入。Linux为此提供了两个接口： static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head); static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *he

10、ad);因为 Linux 链表是循环表，且表头的 next、prev 分别指向链表中的第一个和最末一个节点，所以，list_add 和 list_add_tail 的区别并不大，实际上，Linux 分别用 _list_add(new, head, head-next);和 _list_add(new, head-prev, head);来实现两个接口，可见，在表头插入是插入在 head 之后，而在表尾插入是插入在 head-prev 之后。 假设有一个新 nf_sockopt_ops 结构变量 new_sockopt 需要添加到 nf_sockopts 链表头，我们应当这样操作： list_a

11、dd(&new_sockopt.list, &nf_sockopts);从这里我们看出，nf_sockopts 链表中记录的并不是 new_sockopt 的地址，而是其中的 list 元素的地址。如何通过链表访问到 new_sockopt 呢？下面会有详细介绍。 b) 删除 static inline void list_del(struct list_head *entry);当我们需要删除 nf_sockopts 链表中添加的 new_sockopt 项时，我们这么操作： list_del(&new_sockopt.list);被剔除下来的 new_sockopt.list，prev、n

12、ext 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。 c) 搬移 Linux 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： static inline void list_move(struct list_head *list, str

13、uct list_head *head); static inline void list_move_tail(struct list_head *list, struct list_head *head);例如 list_move(&new_sockopt.list,&nf_sockopts) 会把 new_sockopt 从它所在的链表上删除，并将其再链入 nf_sockopts 的表头。 d) 合并 除了针对节点的插入、删除操作，Linux 链表还提供了整个链表的插入功能： static inline void list_splice(struct list_head *list, st

14、ruct list_head *head);假设当前有两个链表，表头分别是 list1 和 list2（都是 struct list_head 变量），当调用 list_splice(&list1,&list2) 时，只要 list1 非空，list1 链表的内容将被挂接在 list2 链表上，位于 list2 和 list2.next（原 list2 表的第一个节点）之间。新 list2 链表将以原 list1 表的第一个节点为首节点，而尾节点不变。如图（虚箭头为next指针）： 图 4 链表合并 list_splice(&list1,&list2) 当 list1 被挂接到 list2 之

15、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： static inline void list_splice_init(struct list_head *list, struct list_head *head);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。 3. 遍历 遍历是链表最经常的操作之一，为了方便核心应用遍历链表，Linux 链表将遍历操作抽象成几个宏。在介绍遍历宏之前，我们先看看如

16、何从链表中访问到我们真正需要的数据项。 a) 由链表节点到数据项变量 我们知道，Linux 链表中仅保存了数据项结构中 list_head 成员变量的地址，那么我们如何通过这个 list_head 成员访问到作为它的所有者的节点数据呢？Linux 为此提供了一个 list_entry(ptr,type,member) 宏，其中ptr是指向该数据中 list_head 成员的指针，也就是存储在链表中的地址值，type 是数据项的类型，member 则是数据项类型定义中 list_head 成员的变量名，例如，我们要访问 nf_sockopts 链表中首个 nf_sockopt_ops 变量，则如

17、此调用： list_entry(nf_sockopts-next, struct nf_sockopt_ops, list);这里 list 正是 nf_sockopt_ops 结构中定义的用于链表操作的节点成员变量名。 #define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member) container_of宏定义在include/linux/kernel.h中： #define container_of(ptr, type, member) ( const typeof( (type *)0)-member ) *_

18、mptr = (ptr); (type *)( (char *)_mptr - offsetof(type,member) );) offsetof宏定义在include/linux/stddef.h中： #define offsetof(TYPE, MEMBER) (size_t) &(TYPE *)0)-MEMBER)size_t 最终定义为 unsigned int（i386）。 这里使用的是一个利用编译器技术的小技巧，即先求得结构成员在与结构中的偏移量，然后根据成员变量的地址反过来得出属主结构变量的地址。 container_of() 和 offsetof() 并不仅用于链表操作，这里

19、最有趣的地方是 (type *)0)-member，它将0地址强制 转换 为 type 结构的指针，再访问到 type 结构中的 member 成员。在 container_of 宏中，它用来给 typeof() 提供参数（typeof() 是 gcc 的扩展，和 sizeof() 类似 ），以获得 member 成员的数据类型；在 offsetof() 中，这个 member 成员的地址实际上就是 type 数据结构中 member 成员相对于结构变量的偏移量。 如果这么说还不好理解的话，不妨看看下面这张图： 图 5 offsetof() 宏的原理 对于给定一个结构，offsetof(typ

20、e,member) 是一个常量，list_entry() 正是利用这个不变的偏移量来求得链表数据项的变量地址。 b) 遍历宏 在 net/core/netfilter.c 的 nf_register_sockopt() 函数中有这么一段话： struct list_head *i; list_for_each(i, &nf_sockopts) struct nf_sockopt_ops *ops = (struct nf_sockopt_ops *)i; 函数首先定义一个 (struct list_head *) 指针变量i，然后调用 list_for_each(i,&nf_sockopts)

21、 进行遍历。在 include/linux/list.h 中， list_for_each() 宏是这么定义的： #define list_for_each(pos, head) for (pos = (head)-next, prefetch(pos-next); pos != (head); pos = pos-next, prefetch(pos-next)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（prefetch() 可以不考虑，用于预取以提高遍历速度 ）。 那么在 nf_reg

22、ister_sockopt() 中实际上就是遍历 nf_sockopts 链表。为什么能直接将获得的 list_head 成员变量地址当成 struct nf_sockopt_ops 数据项变量的地址呢？我们注意到在 struct nf_sockopt_ops 结构中，list是其中的第一项成员，因此，它的地址也就是结构变量的地址。更规范的获得数据变量地址的用法应该是： struct nf_sockopt_ops *ops = list_entry(i, struct nf_sockopt_ops, list);大多数情况下，遍历链表的时候都需要获得链表节点数据项，也就是说 list_for_

23、each()和list_entry() 总是同时使用。对此 Linux 给出了一个 list_for_each_entry() 宏： #define list_for_each_entry(pos, head, member)与 list_for_each() 不同，这里的pos是数据项结构指针类型，而不是 (struct list_head *)。nf_register_sockopt() 函数可以利用这个宏而设计得更简单： struct nf_sockopt_ops *ops; list_for_each_entry(ops,&nf_sockopts,list) 某些应用需要反向遍历链表，

24、Linux 提供了 list_for_each_prev() 和 list_for_each_entry_reverse() 来完成这一操作，使用方法和上面介绍的 list_for_each()、list_for_each_entry() 完全相同。 如果遍历不是从链表头开始，而是从已知的某个节点 pos 开始，则可以使用 list_for_each_entry_continue(pos,head,member)。有时还会出现这种需求，即经过一系列计算后，如果 pos 有值，则从 pos 开始遍历，如果没有，则从链表头开始，为此，Linux 专门提供了一个 list_prepare_entry

25、(pos,head,member) 宏，将它的返回值作为 list_for_each_entry_continue() 的 pos 参数，就可以满足这一要求。 4. 安全性考虑 在并发执行的环境下，链表操作通常都应该考虑同步安全性问题，为了方便，Linux 将这一操作留给应用自己处理。Linux 链表自己考虑的安全性主要有两个方面： a) list_empty() 判断 基本的 list_empty() 仅以头指针的 next 是否指向自己来判断链表是否为空，Linux 链表另行提供了一个 list_empty_careful() 宏，它同时判断头指针的 next 和 prev，仅当两者都指向

26、自己时才返回真。这主要是为了应付另一个 cpu 正在处理同一个链表而造成 next、prev 不一致的情况。但代码注释也承认，这一安全保障能力有限：除非其他 cpu 的链表操作只有 list_del_init()，否则仍然不能保证安全，也就是说，还是需要加锁保护。 b) 遍历时节点删除 前面介绍了用于链表遍历的几个宏，它们都是通过移动 pos 指针来达到遍历的目的。但如果遍历的操作中包含删除 pos 指针所指向的节点，pos 指针的移动就会被中断，因为 list_del(pos) 将把 pos 的 next、prev 置成 LIST_POSITION2 和 LIST_POSITION1 的特殊

27、值。当然，调用者完全可以自己缓存 next 指针使遍历操作能够连贯起来，但为了编程的一致性，Linux 链表仍然提供了两个对应于基本遍历操作的 _safe 接口：list_for_each_safe(pos, n, head)、list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)，它们要求调用者另外提供一个与 pos 同类型的指针n，在 for 循环中暂存 pos 下一个节点的地址，避免因 pos 节点被释放而造成的断链。 四、 扩展 1. hlist 图 6 list 和 hlist 精益求精的 Linux 链表设计者（因为 list.h 没有署名，所

28、以很可能就是 Linus Torvalds）认为双头（next、prev）的双链表对于 HASH 表来说 过于浪费，因而另行设计了一套用于 HASH 表应用的 hlist 数据结构-单指针表头双循环链表，从上图可以看出， hlist 的表头仅有一个指向首节点的指针，而没有指向尾节点的指针，这样在可能是海量的 HASH 表中存储的表头就能减少一半的空间消耗。 因为表头和节点的数据结构不同，插入操作如果发生在表头和首节点之间，以往的方法就行不通了：表头的 first 指针必须修改指向新插入的节点，却不能使用类似 list_add() 这样统一的描述。为此，hlist 节点的 prev 不再是指向前

29、一个节点的指针，而是指向前一个节点（可能是表头）中的 next（对于表头则是 first）指针（struct list_head *pprev），从而在表头插入的操作可以通过一致的 *(node-pprev) 访问和修改前驱节点的 next（或 first）指针。 2. read-copy update 在 Linux 链表功能接口中还有一系列以 _rcu 结尾的宏，与以上介绍的很多函数一一对应。RCU（Read-Copy Update）是 2.5/2.6 内核中引入的新技术，它通过延迟写操作来提高同步性能。 我们知道，系统中数据读取操作远多于写操作，而 rwlock 机制在 smp 环境下随

30、着处理机增多性能会迅速下降（见参考资料 4）。针对这一应用背景，IBM Linux 技术中心的 Paul E. McKenney 提出了 读拷贝更新 的技术，并将其应用于 Linux 内核中。RCU 技术的核心是写操作分为写-更新两步，允许读操作在任何时候无阻访问，当系统有写操作时，更新动作一直延迟到对该数据的所有读操作完成为止。Linux 链表中的 RCU 功能只是 Linux RCU 的很小一部分，对于 RCU 的实现分析已超出了本文所及，有兴趣的读者可以自行参阅本文的参考资料；而对 RCU 链表的使用和基本链表的使用方法基本相同。 五、 示例 附件中的程序除了能正向、反向输出文件以外，并

31、无实际作用，仅用于演示 Linux 链表的使用。 为了简便，例子采用的是用户态程序模板，如果需要运行，可采用如下命令编译： gcc -D_KERNEL_ -I/usr/src/linux-2.6.7/include pfile.c -o pfile因为内核链表限制在内核态使用，但实际上对于数据结构本身而言并非只能在核态运行，因此，在笔者的编译中使用 -D_KERNEL_ 开关 欺骗 编译器。 参考资料 1. 维基百科 http:/zh.wikipedia.org，一个在 GNU Documentation License 下发布的网络辞典，自由软件理念的延伸，本文的 链表 概念即使用它的版本。 2. Linux 内核情景分析，毛德操先生的这本关于 Linux 内核的巨著几乎可以回答绝大部分关于内核的问题，其中也包括内核链表的几个关键数据结构。 3. Linux 内核 2.6.7 源代码，所有不明白的问题，只要潜心看代码，总能清楚。 4. Kernel Korner: Using