linux核心分析--核心中的資料結構之雙鏈表（一）__Ajax

關於核心中使用到的資料結構這一系列會有五篇文章，

分別介紹

   鏈表

   隊列

   雜湊

   映射

   紅/黑樹狀結構
一、首先介紹核心中鏈表

        核心中定義的鏈表是雙向鏈表，在上篇文章--libevent原始碼分析--queue.h中關於TAILQ_QUEUE的理解中介紹了FreeBSD中如何定義鏈表隊列，和linux核心中的定義還是有區別的，但同樣經典。

        核心中關於鏈表定義的代碼位於： include/linux/list.h。list.h檔案中對每個函數都有注釋，這裡就不詳細說了。其實剛開始只要先瞭解一個常用的鏈表操作（追加，刪除，遍曆）的實現方法，其他方法基本都是基於這些常用操作的。        介紹核心中鏈表的定義之前，回想資料結構中定義鏈表的方式，兩者是有區別的。

一般的雙向鏈表一般是如下的結構， 有個單獨的頭結點(head) 每個節點(node)除了包含必要的資料之外，還有2個指標(pre,next) pre指標指向前一個節點(node)，next指標指向後一個節點(node) 頭結點(head)的pre指標指向鏈表的最後一個節點 最後一個節點的next指標指向頭結點(head)

（感謝原作者）

傳統的鏈表有個最大的缺點就是不好共通化，因為每個node中的data1，data2等等都是不確定的(無論是個數還是類型)。

linux中的鏈表巧妙的解決了這個問題，linux的鏈表不是將使用者資料儲存在鏈表節點中，而是將鏈表節點儲存在使用者資料中。

linux的鏈表節點只有2個指標(pre和next)，這樣的話，鏈表的節點將獨立於使用者資料之外，便於實現鏈表的共同操作。 如下圖所示：

這個圖畫的非常的標準，好好揣摩。

在include/linxu/list.h中的定義也是非常簡單：

 struct list_head { 20     struct list_head *next, *prev; 21 };

在使用的時候，自己定義結構體，但是結構體中除了使用者的資料就是這個結構體。這樣便可構造自己定義的雙向鏈表。

在瞭解了基本內容看具體實現，只知道資料成員list的地址，怎樣去訪問自身以及其他成員呢。

linux鏈表中的最大問題是怎樣通過鏈表的節點來取得使用者資料。

和傳統的鏈表不同，linux的鏈表節點(node)中沒有包含使用者的使用者data1，data2等。 下面進入正題：

在include/linux/list.h標頭檔中可以看到這段代碼。

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

其中container_of這個宏在/include/linux/kernel.h的標頭檔中。

 #define container_of(ptr, type, member) ({          \648     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \649     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

//這裡面的type一般是個結構體，也就是包含使用者資料和鏈表節點的結構體。

//ptr是指向type中鏈表節點的指標

//member則是type中定義鏈表節點是用的名字

關於這個宏解釋有幾點需要解釋，

1、typeof(type)，這是一個宏，這個宏返回一個type的類型，例如：int a; typeof(a) b;等價於int b;

2、offsetof(type,member)宏  它定義在include/linx/stddef.h中，如下：
#define offsetof(TYPE, MEMBER)  ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
這個宏返回member在type類型中的位移量，type是一個結構，例如：
typeof(list_head,next);返回0，也就是返回相對於結構起始地址的位移量。可能會有疑問為何將0強制轉化為某一個類型的指標，然後這個指標指向這個類型中的某一個成員，指標所指成員的地址就是這個成員在這個類型中的位移量。

       這種情況一般都使用在擷取結構體中某一成員的位移。因為首地址是從0開始，那麼結構成員的地址從數值上看就是他的位移量。可能還不怎麼明白，那麼指標是什麼，是一個地址，指標的內容是某個變數的首地址，將0強轉為指標類型，也就是說指標值為零，而這個值就是所指對象的首地址。（位移量+首地址=成員地址，這裡只不過將首地址變為0，那麼成員地址就是位移量。）

可以用一個簡單的例子說明：

struct student{    int id;    char* name;    struct list_head list;};<ul><li>type是struct student</li><li>ptr是指向stuct list的指標，也就是指向member類型的指標</li><li>member就是 list</li></ul>

下面的圖以sturct student為例進行說明這個宏：

首先需要知道 ((TYPE *)0) 表示將地址0轉換為 TYPE 類型的地址

由於TYPE的地址是0，所以((TYPE *)0)->MEMBER 也就是 MEMBER的地址和TYPE地址的差，如下圖所示：

3、使用typeof(((type *)0)->member)來定義指標 __ptr，而不是這樣：const typeof(member) *__ptr=ptr;。
    其實，這個很簡單，因為member是結構的成員，只能通過結構來訪問。

4、在這句話中(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) ); 減號前就是成員的地址，減號後是這個成員在結構中的位移量，兩者相減便是這個結構的首地址。

鏈表中資料的訪問：

在檔案include/linux/list.h中，有訪問鏈表資料的代碼

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

#define list_for_each_entry(pos, head, member)
    for(pos=list_entry((head)->next,typeof(*pos),member);...)
從上面的使用來看，替換list_entry宏以及container_of宏後，變成如下：
    pos=({const typeof(((typeof(*pos) *)0)->member) *__ptr=(head)->next;

pos=({const typeof(((typeof(*pos) *)0)->member) *__ptr=(head)->next;            (typeof(*pos) *)((char *)__ptr - offsetof(typeof(typeof(*pos)),member));});

二、還有一種鏈表，作為雙向鏈表使用

struct hlist_head{    struct hlist_node *first;};struct hlist_node{    struct hlist_node *next, **pprev;};

這個雙向鏈表不是真正的雙向鏈表，因為表頭只有一個first域，為什麼這樣設計。代碼中的注釋解釋：為了節約記憶體，特別適合作為Hash表的衝突鏈，但Hash表很大時，那麼表頭節約下來的記憶體就相當客觀了，雖然每個表頭只節約一個指標。
    同時，表頭的不一致性也會帶來鏈表操作上的困難，顯然就是在表頭和首資料節點之間插入節點時需要特別處理，這也就是為什麼會設計二級指標pprev的原因。看看代碼

static inline void hlist_add_before(struct hlist_node *n,struct hlist_node *next){    n->pprev=next->pprev;    n->next=next;    next->pprev=&n->next;    *(n->pprev)=n;}

解釋：指標n指向新節點，指標next指向將要在它之前插入新節點的那個節點。
看上面的代碼，就可以看到二級指標pprev的威力了。有沒有看到，當next就是第一個資料節點時，這裡的插入也就是在表頭和首資料節點之間插入一個節點，但是並不需要特別處理。而是統一使用*(n->pprev)來訪問前驅的指標域（在普通節點中是next，而在表頭中是first）。看到這個和上篇文章中講解的TAILQ_QUEUE是不是很相似。其實在FreeBSD中也講解了這種資料結構。

精益求精的Linux鏈表設計者（因為list.h沒有署名，所以很可能就是Linus Torvalds）認為雙頭（next、prev）的雙鏈表對於HASH表來說"過於浪費"，因而另行設計了一套用於HASH表應用的hlist資料結構--單指標表頭雙迴圈鏈表，從上圖可以看出，hlist的表頭僅有一個指向首節點的指標，而沒有指向尾節點的指標，這樣在可能是海量的HASH表中儲存的表頭就能減少一半的空間消耗。

因為表頭和節點的資料結構不同，插入操作如果發生在表頭和首節點之間，以往的方法就行不通了：表頭的first指標必須修改指向新插入的節點，卻不能使用類似list_add()這樣統一的描述。為此，hlist節點的prev不再是指向前一個節點的指標，而是指向前一個節點（可能是表頭）中的next（對於表頭則是first）指標（struct list_head **pprev），從而在表頭插入的操作可以通過一致的"*(node->pprev)"訪問和修改前驅節點的next（或first）指標。