list.h文件分析

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

一上来就放这么一个数据结构,那么,这个到底要做什么呢?没错,就如上面代码所示,本文的主角就是它,由它衍生而来的一些问题。首先自我介绍,它,来自Linux系统中的链表。

就是个链表的头!是不觉得很奇怪?怎么只有两个指针域,没有数据域呢?其实笔者现在也纠结这这个问题着呢!没事,咱们先往下看。说不定什么时候,咱就明白了这是怎么一回事情呢。

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

这俩是宏没错吧!来看看这个俩到底是个什么意思。

先来看看这个LIST_HEAD_INIT(name),当程序当中出现了这个东西的时候,它立马就会替换成后面的东西,例如出现了: LIST_HEAD_INIT(headnode); 它立马就会替换成{&(headnode),&(headnode)}. 假设有这么一段C代码

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 struct list_head headnode ;//定义了一个headnode节点
 headnode = LIST_HEAD_INIT(headnode);

那么它是不应该再编译阶段就立马的被替换成这样呢?

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 struct list_head headnode ;//定义了一个headnode节点
 headnode = { &(headnode), &(headnode) };

注意:这里面对标准的C进行了拓展叫:GNU C,这个意思呢就是说,对headnode的两个成员赋值。这赋值之后成了什么样子了呢?看下图:

图一

是不是自己指向了自己?至于为什么可以这么赋值,不是本文讨论的重点,详细的可以Google.

其实这里的LIST_HEAD_INIT(name)宏是用来初始化的; 而LIST_HEAD(name)宏则是用来定义+初始化。你看LIST_HEAD(name)宏是不比LIST_HEAD_INIT(name)宏多了这句 struct list_head name

记住:

LIST_HEAD_INIT(name)宏是用来初始化的;

LIST_HEAD(name)宏则是用来定义+初始化。

OK,我们接着往下看:

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

奇怪这里怎么好像又是在初始化,而且还和上面的功能一样。笔者觉得,他们这样做有如下考虑:

有些人习惯于调用函数进行初始化,而有的人喜欢代码简洁而直接使用宏来进行初始化,但是不论是那种方式,都达到了一样的功能,即初始化。

往下看,有关链表添加的

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#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
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;
}
#else
extern void __list_add(struct list_head *new,  struct list_head *prev,  struct list_head *next);
#endif

注意 __list_add前面可是两个下划线;这个就是说,这个函数是linux内核的东西,使用的时候,就得注意了。一看名字就知道是增加链表节点;其实我们学习双向链表的时候,那么多的指针操作,能把人绕死,而且到最后也搞得不清楚,看看人家linux源代码是咋实现的:是不觉得有差距?

往下看:

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

刚才不说了么,前头俩下划线的让谨慎的使用么,这不?又弄了一个函数,可以调用这个函数来进行链表的添加。

实际上,还是调用的是刚才的那个有两个下划线的函数。这里体现了两个思想:

1、封装,其实这个概念是C++等一类程序设计语言的OOP思想,用在了这里。

2、重用,很多时候,代码其实都是可以不用自己写的,有一些现成的东西你可以去调用,这样可以很好的提高生产效率,而且linux源代码使用的是GPL许可证,没有什么版权啊乱七八糟的东西,有这么好的东西干嘛不用呢?其实下来的这个你会体会的更深:

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

看名字,看看list_add_tail这个名字。是不是“尾插法”?还是调用了前头的那个有两个下划线的函数吧?而且,仅仅只是调换了一下参数的次序。高明吧!

好!再接着往下看:

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static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
       next->prev = prev;
       prev->next = next;
}
 
#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
       __list_del(entry->prev, entry->next);
       entry->next = LIST_POISON1;
       entry->prev = LIST_POISON2;
}
#else
extern void list_del(struct list_head *entry);
#endif

这里是删除一节点,这里再一次的体现了封装和重用的思想。不过这里注意:

在将entry这个节点删除之后你得将它指向一个正确的错误区域!什么意思呢,就是说,你的将它放在一个大家公认的错误的地方,因为所有的人都不会去碰那个错误的地方,所以,你这个entry就不会引起各种不必要的麻烦。其实这里有一个问题:你free了某个节点之后,其实,我们还是可以使用这个节点的,这个在一篇博文里讲述的很清楚: http://blog.sina.com.cn/s/blog_6e9342530100yaef.html

其实这里,LIST_POISON1= 0x00100100. LIST_POISON2=0x00200200。为什么,笔者不知道。

下来接着看这个替换函数。将链表当中某个节点用新的节点替换掉。

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static inline void list_replace(struct list_head *old, struct list_head *new)
{
       new->next = old->next;
       new->next->prev = new;
       new->prev = old->prev;
       new->prev->next = new;
}

下面在给出图例:

图二

大家可以根据图例来理解。

下来这个函数就是将某个链表里头的节点删除,然后添加到另外一个链表当中。你会发现代码很简单

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static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
       __list_del(list->prev, list->next);
       list_add(list, head);
}

下面这两个函数,一个用来判断是否为链表的最后一个节点,一个用来判断该链表是否为空。

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

详细情况如下图:

图三

然而实际上,我们用这种方式来判断链表是否为空是不太精确的。它同时判断头指针的next和prev,仅当两者都指向自己时才返回真。这主要是为了应付另一个cpu正在处理同一个链表而造成next、prev不一致的情况。但代码注释也承认,这一安全保障能力有限:除非其他cpu的链表操作只有list_del_init(),否则仍然不能保证安全,也就是说,还是需要加锁保护。

两个链表合并:

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static inline void __list_splice(const struct list_head *list, struct list_head *prev,  struct list_head *next)
{
       struct list_head *first = list->next;
       struct list_head *last = list->prev;
 
       first->prev = prev;
       prev->next = first;
 
       last->next = next;
       next->prev = last;
}
 
static inline void list_splice(const struct list_head *list, struct list_head *head)
{
       if (!list_empty(list))
              __list_splice(list, head, head->next);
}

假设当前有两个链表,表头分别是list1和list2(都是struct list_head变量),当调用list_splice(&list1,&list2)时,只要list1非空,list1链表的内容将被挂接在list2链表上,位于list2和list2.next(原list2表的第一个节点)之间。新list2链表将以原list1表的第一个节点为首节点,而尾节点不变。如图(虚箭头为next指针):

图四

由于篇幅限制,当中其实,还有一些很有用的函数:比如切割啊,判断是否为单链表啊等等,其实当你再了解了这些函数之后,后面的都是大同小异。可以自己在做研究,下面将重点放在list.h当中的几个很重要的宏当中。 还是顺着list.h往下看,你会看到第一宏:

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

看到上面的那英文注释:获得结构体入口!

ptr:这个参数是指向list_head 类型的指针(注意这里,很容易再代码当中用错)。

type:看到那英文解释了么?这个type可不是list_head!他是list_head嵌入的那个结构体类型。详细会给出一断源代码,帮助大家理解。

member:这个看到名字就知道这个是结构体的一个成员。

list_entry(ptr,type,member)这个宏到底是干嘛的,是不应该看container_of这个宏是干嘛的呢?用Sorce Insight 查看,会发现它在很多文件里头都存在,它们都是一样的,这里选取/include/linux/kernel.h当中的container_of宏来说明。

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

这个宏的作用是:计算结构体成员member再结构体当中的相对位置(相对地址)。 现在想想,开头的时候,是不是看到了这个链表的结构体定义只有指针域而没有数据域?现在就是要计算出嵌入了list_head结构的结构体的数据域的地址。

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struct stu{
   int id;
   struct list_head *next,*prev;
};

就是要根据list_head类型的结构体计算出struct stu结构体当中成员id的地址。

现在假设有如下定义:

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struct stu *p;
struct list_head *r;
r = p->next;

现在我们肯定是可以直接通过p来访问struct stu结构体当中的id的。但是这样做旧失去了其通用性,要知道内核当中链表的组织形式可是list_head。现在要如何才能够通过r访问的id呢?

我们将宏container_of分开成两部分来看。

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const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);

这里的typeof也是GNU C所拓展的。Typeof(x) 就是返回x的数据类型。我们先从最里面的括号开始看起吧,

(type *)0先将0转化成type 类型的指针,此时地址为0x0。然后再引用member成员,即就是:((type *)0)->member 然后再加上typeof() 不就是返回member的数据类型么。再加上前面的const 后面的 * __mptr 。这是个什么意思?

我们来个一个假设。假设member返回的数据类型是int。那么是不是就成了const int * __mptr = (ptr)?现在是不是明白了?typeof( ((type *)0)->member ) 这个东西,就是为了要得到member的数据类型。

总结一下:这个就是为了定义一个member类型的指针,并且指向ptr(list_head类型)

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(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );

(char *)__mptr 将__mptr强制转化成char *类型,为什么转化成char* ,就是要获得__mptr指针的地址。而不是其他的类型呢?先来看offsetof这个宏吧。它被定义在/include/linux/stddef.h当中。

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

不着急,还是先从最里面的括号开始看起。(TYPE *)0)->MEMBER 这不是为了获取member么。在加个& 获得他的地址、在加上(size_t) 强制转化成size_t 类型(其实也就是 unsigned int)。现在该注意了。刚才是不是说得到了type类型的指针的地址是0x0 ? 你这里又得到了type类型指针成员member的地址。这个就是member的偏移地址吧!

再将这两个合并起来看。将获得的__mptr指针的地址 ,减去member成员在其中的偏移量。就是member的地址了吧!!O(∩_∩)O~

还有一个重要的问题?就是为什么要转化成char*,而不是其他的*?char类型的数据不论在什么类型的机器上,存储方式应该只是占了一个字节?因为它的实质是ascii码。这样的话,就好理解了,对char*减一 那就是实实在在的减一个字节;但是你要是对int*减一会实实在在的减多少?是不是4?(32位机器下)。这样一来,你怎么知道他的真实地址? 可以根据下图来理解:

图五

下面再来看看和这个宏很类似的宏

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#define list_first_entry(ptr, type, member) \
   list_entry((ptr)->next, type, member)

和刚才唯一的区别就是ptr所代表的意思不同了,list_entry这个宏是用来获得链表的入口的。但是这里却是为了得到链表的第一个元素。详细的不再赘述。

下来看看这个遍历宏:

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

这里prefetch其实还是一个宏,其作用是预取。作用是使得的便利更加快速、高效、安全,我们这里基本上可以不用考虑这些问题,故,使用的时候可以将该宏去掉。

再来看看向前遍历的宏:

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#define list_for_each_prev(pos, head) \
   for (pos = (head)->prev; prefetch(pos->prev), pos != (head); \
          pos = pos->prev)

跟上面遍历宏一样,其本质还是for循环,结束条件是遍历到了头!

具体的双向循环链表就分析到这里,后面的还有一大堆的遍历宏,只不过也就是上面这几种宏的组合使用罢了;更有甚者,考虑了很多的安全性问题;比如:多线程、并发访问一链表等等,这些应该说在用户级别的程序不大会出现这类问题,我们大可不必注意;但是考虑到在OS当中,有很多是用到了链表;比如:在进程调度的时候,就绪队列、等等。在这个时候就不仅仅需要考虑链表的实现问题了,而且还得考虑安全问题。