Linux内核之数据双链表

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

举个例子来说，在 glib 库里是这样实现的：

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

但是 Linux 内核中的链表实现并没有这样做。所以问题来了：链表在哪里保存数据呢？实际上，内核里实现的链表是侵入式链表（Intrusive list）。侵入式链表并不在节点内保存数据-它的节点仅仅包含指向前后节点的指针，以及指向链表节点数据部分的指针——数据就是这样附加在链表上的。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。

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

如上所述，在内核里有很多很多不同的地方都用到了链表。我们来看一个在杂项字符驱动里面的使用的例子。在 drivers/char/misc.c 的杂项字符驱动 API 被用来编写处理小型硬件或虚拟设备的小驱动。这些驱动共享相同的主设备号：

#define MISC_MAJOR 10

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

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;
};

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);

它实际上是对用list_head 类型定义的变量的扩展。

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

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) }

它在一开始就用函数 INIT_LIST_HEAD 初始化了miscdevice->list。

INIT_LIST_HEAD(&misc->list);

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

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);

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);
}

new – 新项。
head – 新项将会插在head的后面
head->next – 插入前，head 后面的项。
__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;
}

所以我们开始时用宏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。
这儿还有一个问题：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)

ptr – 指向结构 list_head 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；

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) );})

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。

#include <stdio.h>
int main() {
int i = 0;
printf("i = %d/n", ({++i; ++i;}));
return 0;
}

最终会打印出2。

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表达式((type *)0)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。

#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。

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。只需给定结构体中list_head类型 字段的地址、名字和结构体容器的类型，它就可以返回结构体的起始地址。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，但是它可以方便地进行类型检查。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。

提供的唯一功能。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。