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Linux 内核里的数据结构——双向链表

优质
小牛编辑
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2023-12-01

双向链表

Linux 内核自己实现了双向链表，可以在 include/linux/list.h 找到定义。我们将会从双向链表数据结构开始内核的数据结构。为什么？因为它在内核里使用的很广泛，你只需要在 free-electrons.com 检索一下就知道了。

首先让我们看一下在 include/linux/types.h 里的主结构体：

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

你可能注意到这和你以前见过的双向链表的实现方法是不同的。举个例子来说，在 glib 库里是这样实现的：

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

通常来说一个链表会包含一个指向某个项目的指针。但是内核的实现并没有这样做。所以问题来了：链表在哪里保存数据呢？。实际上内核里实现的链表实际上是侵入式链表。侵入式链表并不在节点内保存数据-节点仅仅包含指向前后节点的指针，然后把数据是附加到链表的。这就使得这个数据结构是通用的，使用起来就不需要考虑节点数据的类型了。

比如：

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

让我们看几个例子来理解一下在内核里是如何使用 list_head 的。如上所述，在内核里有实在很多不同的地方用到了链表。我们以杂项字符驱动为例来说明双向链表的使用。在 drivers/char/misc.c 的杂项字符驱动API 被用来编写处理小型硬件和虚拟设备的小驱动。这些驱动共享相同的主设备号：

#define MISC_MAJOR              10

但是都有各自不同的次设备号。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

现在让我们看看它是如何使用链表的。首先看一下结构体 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;
};

我们可以看到结构体的第四个变量 list 是所有注册过的设备的链表。在源代码文件的开始可以看到这个链表的定义：

static LIST_HEAD(misc_list);

它扩展开来实际上就是定义了一个 list_head 类型的变量：

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

然后使用宏 LIST_HEAD_INIT 进行初始化，这会使用变量 name 的地址来填充 prev 和 next 结构体的两个变量。

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

现在来看看注册杂项设备的函数 misc_register 。它在开始就用 INIT_LIST_HEAD 初始化了miscdevice->list。

INIT_LIST_HEAD(&misc->list);

作用和宏 LIST_HEAD_INIT一样。

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

下一步在函数 device_create 创建了设备后我们就用下面的语句将设备添加到设备链表：

list_add(&misc->list, &misc_list);

内核文件 list.h 提供了向链表添加新项的接口函数。我们来看看它的实现：

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

实际上就是使用3个指定的参数来调用了内部函数 __list_add：

  • new - 新项。
  • head - 新项将会被添加到head 之后.
  • head->next - head 之后的项。

__list_add的实现非常简单：

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;
}

我们会在 prev 和 next 之间添加一个新项。所以我们用宏 LIST_HEAD_INIT 定义的 misc 链表会包含指向 miscdevice->list 的向前指针和向后指针。

这里仍有一个问题：如何得到列表的内容呢？这里有一个特殊的宏：

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

使用了三个参数：

  • ptr - 指向链表头的指针；
  • type - 结构体类型;
  • member - 在结构体内类型为 list_head 的变量的名字；

比如说：

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

然后我们就可以使用 p->minor 或者 p->name来访问 miscdevice。让我们来看看 list_entry 的实现：

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

如我们所见，它仅仅使用相同的参数调用了宏 container_of。初看这个宏挺奇怪的：

#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号内包含两个表达式。编译器会执行花括号内的全部语句，然后返回最后的表达式的值。

举个例子来说：

#include <stdio.h>

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

最终会打印 2

下一点就是 typeof,它也很简单。就如你从名字所理解的，它仅仅返回了给定变量的类型。当我第一次看到宏 container_of 的实现时，让我觉得最奇怪的就是 container_of 中的 0 。实际上这个指针巧妙的计算了从结构体特定变量的偏移，这里的 0 刚好就是位宽里的零偏移。让我们看一个简单的例子：

#include <stdio.h>

struct s {
        int field1;
        char field2;
	char field3;
};

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

结果显示 0x5。

下一个宏 offsetof 会计算从结构体的某个变量的相对于结构体起始地址的偏移。它的实现和上面类似：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

现在我们来总结一下宏 container_of。只需要知道结构体里面类型为 list_head 的变量的名字和结构体容器的类型，它可以通过结构体的变量 list_head 获得结构体的起始地址。在宏定义的第一行，声明了一个指向结构体成员变量 ptr 的指针 __mptr ，并且把 ptr 的地址赋给它。现在 ptr 和 __mptr 指向了同一个地址。从技术上讲我们并不需要这一行，但是它可以方便的进行类型检查。第一行保证了特定的结构体（参数 type）包含成员变量 member。第二行代码会用宏 offsetof 计算成员变量相对于结构体起始地址的偏移，然后从结构体的地址减去这个偏移，最后就得到了结构体的起始地址。

当然了 list_add 和 list_entry 不是 <linux/list.h> 提供的唯一函数。双向链表的实现还提供了如下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

等等很多其它 API。

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