Linux內核之list_head.pdf

一、 鏈表數據結構簡介

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鏈表是一種常用的組織有序數據的數據結構，它通過指針將一系列數據節點連接成一條數據鏈，

是線性表的一種重要實現方式。相對于數組，鏈表具有更好的動態性，建立鏈表時無需預先知道

數據總量，可以隨機分配空間，可以高效地在鏈表中的任意位置實時插入或刪除數據。鏈表的開

銷主要是訪問的順序性和組織鏈的空間損失。

通常鏈表數據結構至少應包含兩個域：數據域和指針域，數據域用于存儲數據，指針域用于建立

與下一個節點的聯系。按照指針域的組織以及各個節點之間的聯系形式，鏈表又可以分為單鏈表 、

雙鏈表、循環鏈表等多種類型，下面分別給出這幾類常見鏈表類型的示意圖：

1． 單鏈表

圖1 單鏈表

單鏈表是最簡單的一類鏈表，它的特點是僅有一個指針域指向后繼節點(next)，因此，對單鏈

表的遍歷只能從頭至尾(通常是NULL空指針)順序進行。

2． 雙鏈表

圖2 雙鏈表

通過設計前驅和后繼兩個指針域，雙鏈表可以從兩個方向遍歷，這是它區別于單鏈表的地方。如

果打亂前驅、后繼的依賴關系，就可以構成"二叉樹"；如果再讓首節點的前驅指向鏈表尾節點、

尾節點的后繼指向首節點(如圖2中虛線部分)，就構成了循環鏈表；如果設計更多的指針域，

就可以構成各種復雜的樹狀數據結構。

3． 循環鏈表

循環鏈表的特點是尾節點的后繼指向首節點。前面已經給出了雙循環鏈表的示意圖，它的特點是

從任意一個節點出發，沿兩個方向的任何一個，都能找到鏈表中的任意一個數據。如果去掉前驅

指針，就是單循環鏈表。

在Linux內核中使用了大量的鏈表結構來組織數據，包括設備列表以及各種功能模塊中的數據

組織。這些鏈表大多采用在[include/linux/list.h]實現的一個相當精彩的鏈表數據結構。本文

的后繼部分就將通過示例詳細介紹這一數據結構的組織和使用。

二、 Linux 2.6內核鏈表數據結構的實現

盡管這里使用2.6內核作為講解的基礎，但實際上2.4內核中的鏈表結構和2.6并沒有什么區別。

不同之處在于2.6擴充了兩種鏈表數據結構：鏈表的讀拷貝更新(rcu)和HASH鏈表(hlist)。

這兩種擴展都是基于最基本的list結構，因此，本文主要介紹基本鏈表結構，然后再簡要介紹一

下rcu和hlist。

鏈表數據結構的定義很簡單(節選自[include/linux/list.h]，以下所有代碼，除非加以說明，

其余均取自該文件)：

struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

list_head結構包含兩個指向list_head結構的指針prev和next，由此可見，內核的鏈表具

備雙鏈表功能，實際上，通常它都組織成雙循環鏈表。

和第一節介紹的雙鏈表結構模型不同，這里的list_head沒有數據域。在Linux內核鏈表中，

不是在鏈表結構中包含數據，而是在數據結構中包含鏈表節點。

在數據結構課本中，鏈表的經典定義方式通常是這樣的(以單鏈表為例)：

struct list_node {

struct list_node *next;

ElemType data;

};

因為ElemType的緣故，對每一種數據項類型都需要定義各自的鏈表結構。有經驗的C++程序

員應該知道，標準模板庫中的采用的是C++ Template，利用模板抽象出和數據項類型

無關的鏈表操作接口。

在Linux內核鏈表中，需要用鏈表組織起來的數據通常會包含一個 struct list_head成員，例

如在[include/linux/netfilter.h]中定義了一個nf_sockopt_ops結構來描述Netfilter為某一

協議族準備的getsockopt/setsockopt接口，其中就有一個(struct list_head list)成員，

各個協議族的nf_sockopt_ops結構都通過這個list成員組織在一個鏈表中，表頭是定義在

[net/core/netfilter.c]中的nf_sockopts(struct list_head)。從下圖中我們可以看到，這種

通用的鏈表結構避免了為每個數據項類型定義自己的鏈表的麻煩。Linux的簡捷實用、不求完美

和標準的風格，在這里體現得相當充分。

圖3 nf_socko

總結

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