詳細的分析2.6.x內(nèi)核中鏈表的實現(xiàn)，并通過實例對每個鏈表操作接口進行了分析。

1，鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為，單鏈表，雙鏈表，循環(huán)鏈表。這些在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中都有了詳細的描述。此處省略數(shù)百字。

2，Linux內(nèi)核鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

盡管這里使用2.6內(nèi)核講解，但是于2.4內(nèi)核中的鏈表結(jié)構(gòu)相同。不同之處在于2.6擴充了兩種鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：鏈表的讀拷貝更新（rch）和hash鏈表（hlist）。

鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義很簡單（include/linux/list.h)

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

由上可見內(nèi)核鏈表具有雙鏈表功能，事實上他都組織成雙循環(huán)鏈表。

在linux內(nèi)核鏈表中，需要用鏈表組織起來的數(shù)據(jù)通常都包括一個list_head成員。

3，鏈表操作接口

a，聲明和初始化

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

當我們用LIST_HEAD(nf_sockopts)聲明一個名為nf_sockopts的鏈表頭時，它的next、prev指針都初始化為指向自己，這樣，我們就有了一個空鏈表，因為Linux用頭指針的next是否指向自己來判斷鏈表是否為空：

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

除了用LIST_HEAD()宏在聲明的時候初始化一個鏈表以外，Linux還提供了一個INIT_LIST_HEAD宏用于運行時初始化鏈表：

#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \
(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \
} while (0)

b，插入/刪除/合并

對鏈表的插入操作有兩種：在表頭插入和在表尾插入。Linux為此提供了兩個接口：

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 *head);

假設(shè)有一個新nf_sockopt_ops結(jié)構(gòu)變量new_sockopt需要添加到nf_sockopts鏈表頭，我們應(yīng)當這樣操作：

list_add(&new_sockopt.list, &nf_sockopts);

從這里我們看出，nf_sockopts鏈表中記錄的并不是new_sockopt的地址，而是其中的list元素的地址。如何通過鏈表訪問到new_sockopt呢？下面會有詳細介紹。

b) 刪除 

static inline void list_del(struct list_head *entry);

當我們需要刪除nf_sockopts鏈表中添加的new_sockopt項時，我們這么操作：

list_del(&new_sockopt.list);

被剔除下來的new_sockopt.list，prev、next指針分別被設(shè)為LIST_POSITION2和LIST_POSITION1兩個特殊值，這樣設(shè)置是為了保證不在鏈表中的節(jié)點項不可訪問--對LIST_POSITION1和LIST_POSITION2的訪問都將引起頁故障。與之相對應(yīng)，list_del_init()函數(shù)將節(jié)點從鏈表中解下來之后，調(diào)用LIST_INIT_HEAD()將節(jié)點置為空鏈狀態(tài)。

c，搬移

Linux提供了將原本屬于一個鏈表的節(jié)點移動到另一個鏈表的操作，并根據(jù)插入到新鏈表的位置分為兩類：

static inline void list_move(struct list_head *list, struct 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)會把new_sockopt從它所在的鏈表上刪除，并將其再鏈入nf_sockopts的表頭。

d，合并

除了針對節(jié)點的插入、刪除操作，Linux鏈表還提供了整個鏈表的插入功能：

static inline void list_splice(struct list_head *list, struct list_head *head);

假設(shè)當前有兩個鏈表，表頭分別是list1和list2（都是struct list_head變量），當調(diào)用list_splice(&list1,&list2)時，只要list1非空，list1鏈表的內(nèi)容將被掛接在list2鏈表上，位于list2和list2.next（原list2表的第一個節(jié)點）之間。新list2鏈表將以原list1表的第一個節(jié)點為首節(jié)點，而尾節(jié)點不變。如圖（虛箭頭為next指針）：

                              圖4 鏈表合并list_splice(&list1,&list2)
 

當list1被掛接到list2之后，作為原表頭指針的list1的next、prev仍然指向原來的節(jié)點，為了避免引起混亂，Linux提供了一個list_splice_init()函數(shù)：

 static inline void list_splice_init(struct list_head *list, struct list_head *head);
 

該函數(shù)在將list合并到head鏈表的基礎(chǔ)上，調(diào)用INIT_LIST_HEAD(list)將list設(shè)置為空鏈。

3. 遍歷
遍歷是鏈表最經(jīng)常的操作之一，為了方便核心應(yīng)用遍歷鏈表，Linux鏈表將遍歷操作抽象成幾個宏。在介紹遍歷宏之前，我們先看看如何從鏈表中訪問到我們真正需要的數(shù)據(jù)項。

a) 由鏈表節(jié)點到數(shù)據(jù)項變量 

我們知道，Linux鏈表中僅保存了數(shù)據(jù)項結(jié)構(gòu)中l(wèi)ist_head成員變量的地址，那么我們?nèi)绾瓮ㄟ^這個list_head成員訪問到作為它的所有者的節(jié)點數(shù)據(jù)呢？Linux為此提供了一個list_entry(ptr,type,member)宏，其中ptr是指向該數(shù)據(jù)中l(wèi)ist_head成員的指針，也就是存儲在鏈表中的地址值，type是數(shù)據(jù)項的類型，member則是數(shù)據(jù)項類型定義中l(wèi)ist_head成員的變量名，例如，我們要訪問nf_sockopts鏈表中首個nf_sockopt_ops變量，則如此調(diào)用：

list_entry(nf_sockopts->next, struct nf_sockopt_ops, list);

這里"list"正是nf_sockopt_ops結(jié)構(gòu)中定義的用于鏈表操作的節(jié)點成員變量名。

list_entry的使用相當簡單，相比之下，它的實現(xiàn)則有一些難懂：

#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member)
container_of宏定義在[include/linux/kernel.h]中：
#define container_of(ptr, type, member) ({   \
        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
        (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
offsetof宏定義在[include/linux/stddef.h]中：
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

size_t最終定義為unsigned int（i386）。

這里使用的是一個利用編譯器技術(shù)的小技巧，即先求得結(jié)構(gòu)成員在與結(jié)構(gòu)中的偏移量，然后根據(jù)成員變量的地址反過來得出屬主結(jié)構(gòu)變量的地址。

container_of()和offsetof()并不僅用于鏈表操作，這里最有趣的地方是((type *)0)->member，它將0地址強制"轉(zhuǎn)換"為type結(jié)構(gòu)的指針，再訪問到type結(jié)構(gòu)中的member成員。在container_of宏中，它用來給typeof()提供參數(shù)（typeof()是gcc的擴展，和sizeof()類似），以獲得member成員的數(shù)據(jù)類型；在offsetof()中，這個member成員的地址實際上就是type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中member成員相對于結(jié)構(gòu)變量的偏移量。

如果這么說還不好理解的話，不妨看看下面這張圖：

圖5 offsetof()宏的原理
 

對于給定一個結(jié)構(gòu)，offsetof(type,member)是一個常量，list_entry()正是利用這個不變的偏移量來求得鏈表數(shù)據(jù)項的變量地址。

b) 遍歷宏 

在[net/core/netfilter.c]的nf_register_sockopt()函數(shù)中有這么一段話：

  ……
struct list_head *i;
……
 list_for_each(i, &nf_sockopts) {
  struct nf_sockopt_ops *ops = (struct nf_sockopt_ops *)i;
  ……
 }
 ……
 

函數(shù)首先定義一個(struct list_head *)指針變量i，然后調(diào)用list_for_each(i,&nf_sockopts)進行遍歷。在[include/linux/list.h]中，list_for_each()宏是這么定義的：

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

它實際上是一個for循環(huán)，利用傳入的pos作為循環(huán)變量，從表頭head開始，逐項向后（next方向）移動pos，直至又回到head（prefetch()可以不考慮，用于預取以提高遍歷速度）。

那么在nf_register_sockopt()中實際上就是遍歷nf_sockopts鏈表。為什么能直接將獲得的list_head成員變量地址當成struct nf_sockopt_ops數(shù)據(jù)項變量的地址呢？我們注意到在struct nf_sockopt_ops結(jié)構(gòu)中，list是其中的第一項成員，因此，它的地址也就是結(jié)構(gòu)變量的地址。更規(guī)范的獲得數(shù)據(jù)變量地址的用法應(yīng)該是：

struct nf_sockopt_ops *ops = list_entry(i, struct nf_sockopt_ops, list);

大多數(shù)情況下，遍歷鏈表的時候都需要獲得鏈表節(jié)點數(shù)據(jù)項，也就是說list_for_each()和list_entry()總是同時使用。對此Linux給出了一個list_for_each_entry()宏：

#define list_for_each_entry(pos, head, member)  ……

與list_for_each()不同，這里的pos是數(shù)據(jù)項結(jié)構(gòu)指針類型，而不是(struct list_head *)。nf_register_sockopt()函數(shù)可以利用這個宏而設(shè)計得更簡單：

……
struct nf_sockopt_ops *ops;
list_for_each_entry(ops,&nf_sockopts,list){
 ……
}
……

某些應(yīng)用需要反向遍歷鏈表，Linux提供了list_for_each_prev()和list_for_each_entry_reverse()來完成這一操作，使用方法和上面介紹的list_for_each()、list_for_each_entry()完全相同。

如果遍歷不是從鏈表頭開始，而是從已知的某個節(jié)點pos開始，則可以使用list_for_each_entry_continue(pos,head,member)。有時還會出現(xiàn)這種需求，即經(jīng)過一系列計算后，如果pos有值，則從pos開始遍歷，如果沒有，則從鏈表頭開始，為此，Linux專門提供了一個list_prepare_entry(pos,head,member)宏，將它的返回值作為list_for_each_entry_continue()的pos參數(shù)，就可以滿足這一要求。

4. 安全性考慮
在并發(fā)執(zhí)行的環(huán)境下，鏈表操作通常都應(yīng)該考慮同步安全性問題，為了方便，Linux將這一操作留給應(yīng)用自己處理。Linux鏈表自己考慮的安全性主要有兩個方面：

a) list_empty()判斷 

基本的list_empty()僅以頭指針的next是否指向自己來判斷鏈表是否為空，Linux鏈表另行提供了一個list_empty_careful()宏，它同時判斷頭指針的next和prev，僅當兩者都指向自己時才返回真。這主要是為了應(yīng)付另一個cpu正在處理同一個鏈表而造成next、prev不一致的情況。但代碼注釋也承認，這一安全保障能力有限：除非其他cpu的鏈表操作只有l(wèi)ist_del_init()，否則仍然不能保證安全，也就是說，還是需要加鎖保護。

b) 遍歷時節(jié)點刪除 

前面介紹了用于鏈表遍歷的幾個宏，它們都是通過移動pos指針來達到遍歷的目的。但如果遍歷的操作中包含刪除pos指針所指向的節(jié)點，pos指針的移動就會被中斷，因為list_del(pos)將把pos的next、prev置成LIST_POSITION2和LIST_POSITION1的特殊值。

當然，調(diào)用者完全可以自己緩存next指針使遍歷操作能夠連貫起來，但為了編程的一致性，Linux鏈表仍然提供了兩個對應(yīng)于基本遍歷操作的"_safe"接口：list_for_each_safe(pos, n, head)、list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)，它們要求調(diào)用者另外提供一個與pos同類型的指針n，在for循環(huán)中暫存pos下一個節(jié)點的地址，避免因pos節(jié)點被釋放而造成的斷鏈。

四、 擴展

1. hlist

圖6 list和hlist
 

精益求精的Linux鏈表設(shè)計者（因為list.h沒有署名，所以很可能就是Linus Torvalds）認為雙頭（next、prev）的雙鏈表對于HASH表來說"過于浪費"，因而另行設(shè)計了一套用于HASH表應(yīng)用的hlist數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--單指針表頭雙循環(huán)鏈表，從上圖可以看出，hlist的表頭僅有一個指向首節(jié)點的指針，而沒有指向尾節(jié)點的指針，這樣在可能是海量的HASH表中存儲的表頭就能減少一半的空間消耗。

因為表頭和節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，插入操作如果發(fā)生在表頭和首節(jié)點之間，以往的方法就行不通了：表頭的first指針必須修改指向新插入的節(jié)點，卻不能使用類似list_add()這樣統(tǒng)一的描述。為此，hlist節(jié)點的prev不再是指向前一個節(jié)點的指針，而是指向前一個節(jié)點（可能是表頭）中的next（對于表頭則是first）指針（struct list_head **pprev），從而在表頭插入的操作可以通過一致的"*(node->pprev)"訪問和修改前驅(qū)節(jié)點的next（或first）指針。

2. read-copy update
在Linux鏈表功能接口中還有一系列以"_rcu"結(jié)尾的宏，與以上介紹的很多函數(shù)一一對應(yīng)。RCU（Read-Copy Update）是2.5/2.6內(nèi)核中引入的新技術(shù)，它通過延遲寫操作來提高同步性能。

我們知道，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取操作遠多于寫操作，而rwlock機制在smp環(huán)境下隨著處理機增多性能會迅速下降（見參考資料4）。針對這一應(yīng)用背景，IBM Linux技術(shù)中心的Paul E. McKenney提出了"讀拷貝更新"的技術(shù)，并將其應(yīng)用于Linux內(nèi)核中。RCU技術(shù)的核心是寫操作分為寫-更新兩步，允許讀操作在任何時候無阻訪問，當系統(tǒng)有寫操作時，更新動作一直延遲到對該數(shù)據(jù)的所有讀操作完成為止。Linux鏈表中的RCU功能只是Linux RCU的很小一部分，對于RCU的實現(xiàn)分析已超出了本文所及，有興趣的讀者可以自行參閱本文的參考資料；而對RCU鏈表的使用和基本鏈表的使用方法基本相同。

五、 示例
附件中的程序除了能正向、反向輸出文件以外，并無實際作用，僅用于演示Linux鏈表的使用。 

為了簡便，例子采用的是用戶態(tài)程序模板，如果需要運行，可采用如下命令編譯：

gcc -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.6.7/include pfile.c -o pfile

因為內(nèi)核鏈表限制在內(nèi)核態(tài)使用，但實際上對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身而言并非只能在核態(tài)運行，因此，在筆者的編譯中使用"-D__KERNEL__"開關(guān)"欺騙"編譯器。

參考資料 

1. 維基百科 http://zh.，一個在GNU Documentation License下發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)辭典，自由軟件理念的延伸，本文的"鏈表"概念即使用它的版本。 
2. 《Linux內(nèi)核情景分析》，毛德操先生的這本關(guān)于Linux內(nèi)核的巨著幾乎可以回答絕大部分關(guān)于內(nèi)核的問題，其中也包括內(nèi)核鏈表的幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 
3. Linux內(nèi)核2.6.7源代碼，所有不明白的問題，只要潛心看代碼，總能清楚。 
4. Kernel Korner: Using RCU in the Linux 2.5 Kernel，RCU主要開發(fā)者Paul McKenney 2003年10月發(fā)表于Linux Journal上的一篇介紹RCU的文章。在 http://www./users/paulmck/rclock/上可以獲得更多關(guān)于RCU的幫助。

 附件
/*********************************************************************
 *                
 * Filename:      pfile.c
 * Version:       1.0
 * Description:   Demo for Linux LIST utility
 * Compilation:   gcc –D__KERNEL__ -I/usr/src/linux/include pfile.c
 * Status:        Stable
 * Author:        Yang Shazhou<pubb@163.net>
 * Created at:    Thu Jul 15 13:50:33 2004
 * Modified at:   Thu Jul 15 14:39:03 2004
 * Modified by:   Yang Shazhou<pubb@163.net>
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 *     Copyright (c) 2004 Yang Shazhou, All Rights Reserved.
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 *     along with this program; if not, write to the Free Software 
 *     Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, 
 *     MA 02111-1307 USA
 *     
 ********************************************************************/
#include <linux/list.h>
#include <stdio.h>
#include <strings.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
 LIST_HEAD(list);  //定義存放文件內(nèi)容的鏈表
 FILE *fp;

 struct file_store {
  char c;
  struct list_head node;
 } *pstore;

 if(argc<2){
  printf("usage: pfile <filename> <[r]>\n");
  return -1;
 }
 if(!(fp=fopen(argv[1],"rb"))){
  printf("fopen(%s) error\n",argv[1]);
         return -1;
 }

 /* 讀文件到鏈表 */
 while(1){
  if(!(pstore=(struct file_store *)malloc(sizeof(struct file_store))))
   break;
  pstore->c=fgetc(fp);
  if(feof(fp)){
   free(pstore);
   break;
  }
  list_add_tail(&pstore->node,&list);   //將本字符插入鏈表中
 }
 fclose(fp);

 /* 遍歷鏈表，輸出鏈表中的節(jié)點個數(shù)，即文件字符數(shù) */
 int count=0;
 struct list_head *p;
 list_for_each(p,&list){
  count++;
 }
 printf("%s has altogether %d character(s)\n",argv[1],count);

 /* 根據(jù)命令行參數(shù)正向/反向遍歷鏈表，輸出鏈表中存放的字符，同時釋放各節(jié)點 */
 if(argc>2 && !strcasecmp(argv[2],"r")){
  struct list_head *p;
  list_for_each_entry_reverse(pstore,&list,node){  //反向遍歷，沒有保護
   p=pstore->node.next;
   list_del(&pstore->node);
   putchar(pstore->c);
   free(pstore);
   /* 如果沒有這一句，將報segmentation fault */
pstore=list_entry(p,struct file_store,node); //取數(shù)據(jù)項
  }
 }else{
  struct file_store *p;
  list_for_each_entry_safe(pstore,p,&list,node){  //正向遍歷，有保護
   list_del(&pstore->node);
   putchar(pstore->c);
   free(pstore);
  }
 }

 return 0;
}