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Linux 内核里的数据结构——双向链表
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双向链表
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Linux 内核自己实现了双向链表，可以在 [include/linux/list.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/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](http://lxr.free-electrons.com/ident?i=list_head) 检索一下就知道了。
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首先让我们看一下在 [include/linux/types.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/types.h) 里的主结构体：
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```C
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struct list_head {
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struct list_head *next, *prev;
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};
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```
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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](http://www.gnu.org/software/libc/) 库里是这样实现的：
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```C
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struct GList {
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gpointer data;
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GList *next;
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GList *prev;
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};
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```
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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。
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比如：
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```C
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struct nmi_desc {
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spinlock_t lock;
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struct list_head head;
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};
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```
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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](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/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：
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```C
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#define MISC_MAJOR 10
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```
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但是都有各自不同的次设备号。比如：
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```
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ls -l /dev | grep 10
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crw------- 1 root root 10, 235 Mar 21 12:01 autofs
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drwxr-xr-x 10 root root 200 Mar 21 12:01 cpu
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crw------- 1 root root 10, 62 Mar 21 12:01 cpu_dma_latency
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crw------- 1 root root 10, 203 Mar 21 12:01 cuse
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drwxr-xr-x 2 root root 100 Mar 21 12:01 dri
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crw-rw-rw- 1 root root 10, 229 Mar 21 12:01 fuse
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crw------- 1 root root 10, 228 Mar 21 12:01 hpet
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crw------- 1 root root 10, 183 Mar 21 12:01 hwrng
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crw-rw----+ 1 root kvm 10, 232 Mar 21 12:01 kvm
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crw-rw---- 1 root disk 10, 237 Mar 21 12:01 loop-control
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crw------- 1 root root 10, 227 Mar 21 12:01 mcelog
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crw------- 1 root root 10, 59 Mar 21 12:01 memory_bandwidth
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crw------- 1 root root 10, 61 Mar 21 12:01 network_latency
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crw------- 1 root root 10, 60 Mar 21 12:01 network_throughput
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crw-r----- 1 root kmem 10, 144 Mar 21 12:01 nvram
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brw-rw---- 1 root disk 1, 10 Mar 21 12:01 ram10
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crw--w---- 1 root tty 4, 10 Mar 21 12:01 tty10
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crw-rw---- 1 root dialout 4, 74 Mar 21 12:01 ttyS10
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crw------- 1 root root 10, 63 Mar 21 12:01 vga_arbiter
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crw------- 1 root root 10, 137 Mar 21 12:01 vhci
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```
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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` ：
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```C
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struct miscdevice
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{
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int minor;
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const char *name;
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const struct file_operations *fops;
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struct list_head list;
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struct device *parent;
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struct device *this_device;
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const char *nodename;
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mode_t mode;
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};
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```
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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：
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```C
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static LIST_HEAD(misc_list);
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```
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它扩展开来实际上就是定义了一个 `list_head` 类型的变量：
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```C
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#define LIST_HEAD(name) \
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struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
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```
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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。
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```C
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#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
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```
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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`。
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```C
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INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
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```
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作用和宏 `LIST_HEAD_INIT`一样。
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```C
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static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
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{
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list->next = list;
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||||
list->prev = list;
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}
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```
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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：
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```
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list_add(&misc->list, &misc_list);
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```
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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：
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```C
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static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
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{
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__list_add(new, head, head->next);
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}
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```
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实际上就是使用3个指定的参数来调用了内部函数 `__list_add`：
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* new - 新项。
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* head - 新项将会被添加到`head` 之后.
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* head->next - `head` 之后的项。
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`__list_add`的实现非常简单：
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```C
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static inline void __list_add(struct list_head *new,
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struct list_head *prev,
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struct list_head *next)
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{
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next->prev = new;
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new->next = next;
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||||
new->prev = prev;
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||||
prev->next = new;
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}
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```
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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。
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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：
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```C
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#define list_entry(ptr, type, member) \
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container_of(ptr, type, member)
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```
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使用了三个参数：
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* ptr - 指向链表头的指针；
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* type - 结构体类型;
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* member - 在结构体内类型为 `list_head` 的变量的名字；
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比如说：
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```C
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const struct miscdevice *p = list_entry(v, struct miscdevice, list)
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```
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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：
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```C
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#define list_entry(ptr, type, member) \
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||||
container_of(ptr, type, member)
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```
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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：
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```C
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#define container_of(ptr, type, member) ({ \
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const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
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(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
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```
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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。
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举个例子来说：
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```
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#include <stdio.h>
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int main() {
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int i = 0;
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printf("i = %d\n", ({++i; ++i;}));
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return 0;
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}
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```
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最终会打印 `2`
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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：
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```C
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#include <stdio.h>
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struct s {
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int field1;
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char field2;
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char field3;
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};
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int main() {
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printf("%p\n", &((struct s*)0)->field3);
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||||
return 0;
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||||
}
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```
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结果显示 `0x5`。
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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：
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```C
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#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
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```
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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。
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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：
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* list_add
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* list_add_tail
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* list_del
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* list_replace
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* list_move
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* list_is_last
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* list_empty
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||||
* list_cut_position
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* list_splice
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* list_for_each
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* list_for_each_entry
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等等很多其它 API。
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