Linux内核中的list.h浅谈

[十月往昔]——Linux内核中的list.h浅谈

为什么要叫做“十月往昔”呢，是为了纪念我的原博客。

不知道为什么，突然想来一个新的开始——而那个博客存活至今刚好十个月，也有十个月里的文档。

十月往昔，总有一些觉得珍贵的，所以搬迁到这里来。

而这篇文章是在09.04.10里写的。

Jason Lee

————————————–cut-line

/*-------------------------------

include/linux/list.h -2.6.29

*/

该文件包含：

1#ifndef _LINUX_LIST_H
2#define _LINUX_LIST_H
3
4#include <linux/stddef.h>
5#include <linux/poison.h>
6#include <linux/prefetch.h>
7#include <asm/system.h>

链表的初始化

19struct list_head {
20 struct list_head *next, *prev;
21};
22
23#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
24
25#define LIST_HEAD(name) /
26 struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
27
28static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
29{
30 list->next = list;
31 list->prev = list;
32}

19-21 行定义了一个list_head 结构，只有两个指向list_head 结构的指针，一个next ，一个prev ，作用显而易见。

23 行的宏LIST_HEAD_INIT(name) 与25 行的宏LIST_HEAD(name) 组合进行链表的初始化，即next 和prev 都指向自身。

25 行的静态内联函数INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list) 同样是用来初始化链表，效果同上述一点。GNU 下的C 语言对C 进行了扩充，不再是ANSI C ，它里面增添了很多C++ 的特性，所以对内核进行编译只能选用相应的GCC 。

INIT_LIST_HEAD 在有的文献中是以宏的形式出现：

#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { /
(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); /
} while (0)

链表的插入

34/*
35 * Insert a new entry between two known consecutive entries.
36 *
37 * This is only for internal list manipulation where we know
38 * the prev/next entries already!
39 */
40#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
41static inline void __list_add(struct list_head *new,
42 struct list_head *prev,
43 struct list_head *next)
44{
45 next->prev = new;
46 new->next = next;
47 new->prev = prev;
48 prev->next = new;
49}
50#else
51extern void __list_add(struct list_head *new,
52 struct list_head *prev,
53 struct list_head *next);
54#endif

这段程序在两个已知的节点中间插入一个新节点。这里选择的是条件编译，如果没有对CONFIG_DEBUG_LIST 进行宏定义，则定义了__list_add 这个静态内联函数，便于以下两个函数使用。

56/**
57 * list_add - add a new entry
58 * @new: new entry to be added
59 * @head: list head to add it after
60 *
61 * Insert a new entry after the specified head.
62 * This is good for implementing stacks.
63 */
64static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
65{
66 __list_add(new, head, head->next);
67}

该函数在指定的head 节点后面插入一个新节点new 。

70/**
71 * list_add_tail - add a new entry
72 * @new: new entry to be added
73 * @head: list head to add it before
74 *
75 * Insert a new entry before the specified head.
76 * This is useful for implementing queues.
77 */
78static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
79{
80 __list_add(new, head->prev, head);
81}

该函数将一个节点new 插在指定的节点head 之前。

链表的删除

83/*
84 * Delete a list entry by making the prev/next entries
85 * point to each other.
86 *
87 * This is only for internal list manipulation where we know
88 * the prev/next entries already!
89 */
90static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
91{
92 next->prev = prev;
93 prev->next = next;
94}

该函数通过设置prev 和next 指针指向彼此，实现了删除二者之间节点的功能。但是这里我有个疑惑，删除的指针的释放在哪里实现。

96/**
97 * list_del - deletes entry from list.
98 * @entry: the element to delete from the list.
99 * Note: list_empty() on entry does not return true after this, the entry is
100 * in an undefined state.
101 */
102#ifndef CONFIG_DEBUG_LIST
103static inline void list_del(struct list_head *entry)
104{
105 __list_del(entry->prev, entry->next);
106 entry->next = LIST_POISON1;
107 entry->prev = LIST_POISON2;
108}
109#else
110extern void list_del(struct list_head *entry);
111#endif

该函数通过调用上面的内联函数实现节点的删除，这里的LIST_POISON1 和LIST_POISON2 是在linux / poison . h 定义的。此处仍然是条件编译。

链表节点的置换

113/**
114 * list_replace - replace old entry by new one
115 * @old : the element to be replaced
116 * @new : the new element to insert
117 *
118 * If @old was empty, it will be overwritten.
119 */
120static inline void list_replace(struct list_head *old,
121 struct list_head *new)
122{
123 new->next = old->next;
124 new->next->prev = new;
125 new->prev = old->prev;
126 new->prev->next = new;
127}
128
129static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
130 struct list_head *new)
131{
132 list_replace(old, new);
133 INIT_LIST_HEAD(old);
134}

静态内联函数list_replace 接受两个参数：old 和new ，并通过new 替换old 。而list_replace_init 函数则是通过调用list_replace 进行替换，之后调用INIT_LIST_HEAD 对被替换的old 进行链表初始化。

链表的移动

146/**
147 * list_move - delete from one list and add as another’s head
148 * @list: the entry to move
149 * @head: the head that will precede our entry
150 */
151static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
152{
153 __list_del(list->prev, list->next);
154 list_add(list, head);
155}

List_move 函数接受两个参数，第一个参数list 为想要移动的节点指针，第二个参数为目的地节点指针。该函数通过调用__list_del 函数实现list 节点的prev 和next 两个指针互指实现删除list 节点的效果，并且调用list_add 将list 节点插入到head 之后。

157/**
158 * list_move_tail - delete from one list and add as another’s tail
159 * @list: the entry to move
160 * @head: the head that will follow our entry
161 */
162static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
163 struct list_head *head)
164{
165 __list_del(list->prev, list->next);
166 list_add_tail(list, head);
167}

List_move_tail 函数将指定节点移到指定链表的尾部，成为尾节点。并且由于链表是循环的，所以移动的节点指向该链表head 节点。具体实现是通过目标节点的prev 和next 互指实现从原始链表中删除list 节点，之后通过调用list_add_tail 将list 节点插入到以head 为表首的链表尾部。

判断节点是否为链表的最后一个

169/**
170 * list_is_last - tests whether @list is the last entry in list @head
171 * @list: the entry to test
172 * @head: the head of the list
173 */
174static inline int list_is_last(const struct list_head *list,
175 const struct list_head *head)
176{
177 return list->next == head;
178}

通过判断节点的next 指向是否为表首来确定是否为last 。

判断链表是否为空

180/**
181 * list_empty - tests whether a list is empty
182 * @head: the list to test.
183 */
184static inline int list_empty(const struct list_head *head)
185{
186 return head->next == head;
187}

通过判断head 节点是否指向自身来判断链表是否为空。

189/**
190 * list_empty_careful - tests whether a list is empty and not being modified
191 * @head: the list to test
192 *
193 * Description:
194 * tests whether a list is empty _and_ checks that no other CPU might be
195 * in the process of modifying either member (next or prev)
196 *
197 * NOTE: using list_empty_careful() without synchronization
198 * can only be safe if the only activity that can happen
199 * to the list entry is list_del_init(). Eg. it cannot be used
200 * if another CPU could re-list_add() it.
201 */
202static inline int list_empty_careful(const struct list_head *head)
203{
204 struct list_head *next = head->next;
205 return (next == head) && (next == head->prev);
206}

此处函数的作用并不十分理解，对于绿色注释说明部分的Description 和NOTE 部分也是一知半解。单纯地翻一下NOTE 部分：如果没有经过同步化处理，那么如果要达到安全地使用list_empty_careful 这个函数必须限定当前能对指定节点发生的操作仅仅为list_del_init() ，比如当一个CPU 对它进行add 操作的时候不能使用该函数。

该函数能达到的效果是检查链表是否为空，并且检测是否有CPU 在修改当前指定节点的prev 和next 指针。

这里引用一段解释，来自杨沙洲：

“ Linux 链表另行提供了一个 list_empty_careful() 宏，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。 ”

判断链表是否只有唯一的一个节点

208/**
209 * list_is_singular - tests whether a list has just one entry.
210 * @head: the list to test.
211 */
212static inline int list_is_singular(const struct list_head *head)
213{
214 return !list_empty(head) && (head->next == head->prev);
215}

空表并不是一个节点都没有，唯一的节点也不是指只有一个节点，具体看函数代码我们便可以了解。当一个节点指针被执行LIST_HEAD 了以后，它的prev 和next 指针都指向自身，这便称为空表；而如果它的prev 和next 指针都指向仅有的第二个节点，那么它便称为仅有一个节点。

链表的切割

217static inline void __list_cut_position(struct list_head *list,
218 struct list_head *head, struct list_head *entry)
219{
220 struct list_head *new_first = entry->next;
221 list->next = head->next;
222 list->next->prev = list;
223 list->prev = entry;
224 entry->next = list;
225 head->next = new_first;
226 new_first->prev = head;
227}
228
229/**
230 * list_cut_position - cut a list into two
231 * @list: a new list to add all removed entries
232 * @head: a list with entries
233 * @entry: an entry within head, could be the head itself
234 * and if so we won’t cut the list
235 *
236 * This helper moves the initial part of @head, up to and
237 * including @entry, from @head to @list. You should
238 * pass on @entry an element you know is on @head. @list
239 * should be an empty list or a list you do not care about
240 * losing its data.
241 *
242 */
243static inline void list_cut_position(struct list_head *list,
244 struct list_head *head, struct list_head *entry)
245{
246 if (list_empty(head))
247 return;
248 if (list_is_singular(head) &&
249 (head->next != entry && head != entry))
250 return;
251 if (entry == head)
252 INIT_LIST_HEAD(list);
253 else
254 __list_cut_position(list, head, entry);
255}

这里有三个参数，list,head,entry 。

假设原先有链表：head <-> node1 <-> node2 <-> node3 <-> entry <-> node4 <-> head

那么最后会得到链表1 ：head <-> node4 <-> head 和链表2 ：list <-> node1 <-> node2 <-> node3 <-> entry <-> list 。

这里最好自己画图模拟一下。

链表的合并

257static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
258 struct list_head *prev,
259 struct list_head *next)
260{
261 struct list_head *first = list->next;
262 struct list_head *last = list->prev;
263
264 first->prev = prev;
265 prev->next = first;
266
267 last->next = next;
268 next->prev = last;
269}

假设有两条链表：head <-> node1 <-> node2 <-> node3 <-> head

和：last <-> list <-> first

那么合并的结果是取代了head ：last <-> list <-> first <-> node1 <-> node2 <-> node3 <-> last

271/**
272 * list_splice - join two lists, this is designed for stacks
273 * @list: the new list to add.
274 * @head: the place to add it in the first list.
275 */
276static inline void list_splice(const struct list_head *list,
277 struct list_head *head)
278{
279 if (!list_empty(list))
280 __list_splice(list, head, head->next);
281}
282
283/**
284 * list_splice_tail - join two lists, each list being a queue
285 * @list: the new list to add.
286 * @head: the place to add it in the first list.
287 */
288static inline void list_splice_tail(struct list_head *list,
289 struct list_head *head)
290{
291 if (!list_empty(list))
292 __list_splice(list, head->prev, head);
293}
294
295/**
296 * list_splice_init - join two lists and reinitialise the emptied list.
297 * @list: the new list to add.
298 * @head: the place to add it in the first list.
299 *
300 * The list at @list is reinitialised
301 */
302static inline void list_splice_init(struct list_head *list,
303 struct list_head *head)
304{
305 if (!list_empty(list)) {
306 __list_splice(list, head, head->next);
307 INIT_LIST_HEAD(list);
308 }
309}
310
311/**
312 * list_splice_tail_init - join two lists and reinitialise the emptied list
313 * @list: the new list to add.
314 * @head: the place to add it in the first list.
315 *
316 * Each of the lists is a queue.
317 * The list at @list is reinitialised
318 */
319static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list,
320 struct list_head *head)
321{
322 if (!list_empty(list)) {
323 __list_splice(list, head->prev, head);
324 INIT_LIST_HEAD(list);
325 }
326}

以下的合并函数都是调用第一个合并内联函数__list_splice ，区别只在于合并取代的位置以及是否对空出来的head 进行初始化，即调用INIT_LIST_HEAD 等宏。