Linux内核之list_head.pdf

一、 链表数据结构简介

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链表是一种常用的组织有序数据的数据结构，它通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，

是线性表的一种重要实现方式。相对于数组，链表具有更好的动态性，建立链表时无需预先知道

数据总量，可以随机分配空间，可以高效地在链表中的任意位置实时插入或删除数据。链表的开

销主要是访问的顺序性和组织链的空间损失。

通常链表数据结构至少应包含两个域：数据域和指针域，数据域用于存储数据，指针域用于建立

与下一个节点的联系。按照指针域的组织以及各个节点之间的联系形式，链表又可以分为单链表 、

双链表、循环链表等多种类型，下面分别给出这几类常见链表类型的示意图：

1． 单链表

图1 单链表

单链表是最简单的一类链表，它的特点是仅有一个指针域指向后继节点(next)，因此，对单链

表的遍历只能从头至尾(通常是NULL空指针)顺序进行。

2． 双链表

图2 双链表

通过设计前驱和后继两个指针域，双链表可以从两个方向遍历，这是它区别于单链表的地方。如

果打乱前驱、后继的依赖关系，就可以构成"二叉树"；如果再让首节点的前驱指向链表尾节点、

尾节点的后继指向首节点(如图2中虚线部分)，就构成了循环链表；如果设计更多的指针域，

就可以构成各种复杂的树状数据结构。

3． 循环链表

循环链表的特点是尾节点的后继指向首节点。前面已经给出了双循环链表的示意图，它的特点是

从任意一个节点出发，沿两个方向的任何一个，都能找到链表中的任意一个数据。如果去掉前驱

指针，就是单循环链表。

在Linux内核中使用了大量的链表结构来组织数据，包括设备列表以及各种功能模块中的数据

组织。这些链表大多采用在[include/linux/list.h]实现的一个相当精彩的链表数据结构。本文

的后继部分就将通过示例详细介绍这一数据结构的组织和使用。

二、 Linux 2.6内核链表数据结构的实现

尽管这里使用2.6内核作为讲解的基础，但实际上2.4内核中的链表结构和2.6并没有什么区别。

不同之处在于2.6扩充了两种链表数据结构：链表的读拷贝更新(rcu)和HASH链表(hlist)。

这两种扩展都是基于最基本的list结构，因此，本文主要介绍基本链表结构，然后再简要介绍一

下rcu和hlist。

链表数据结构的定义很简单(节选自[include/linux/list.h]，以下所有代码，除非加以说明，

其余均取自该文件)：

struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

list_head结构包含两个指向list_head结构的指针prev和next，由此可见，内核的链表具

备双链表功能，实际上，通常它都组织成双循环链表。

和第一节介绍的双链表结构模型不同，这里的list_head没有数据域。在Linux内核链表中，

不是在链表结构中包含数据，而是在数据结构中包含链表节点。

在数据结构课本中，链表的经典定义方式通常是这样的(以单链表为例)：

struct list_node {

struct list_node *next;

ElemType data;

};

因为ElemType的缘故，对每一种数据项类型都需要定义各自的链表结构。有经验的C++程序

员应该知道，标准模板库中的采用的是C++ Template，利用模板抽象出和数据项类型

无关的链表操作接口。

在Linux内核链表中，需要用链表组织起来的数据通常会包含一个 struct list_head成员，例

如在[include/linux/netfilter.h]中定义了一个nf_sockopt_ops结构来描述Netfilter为某一

协议族准备的getsockopt/setsockopt接口，其中就有一个(struct list_head list)成员，

各个协议族的nf_sockopt_ops结构都通过这个list成员组织在一个链表中，表头是定义在

[net/core/netfilter.c]中的nf_sockopts(struct list_head)。从下图中我们可以看到，这种

通用的链表结构避免了为每个数据项类型定义自己的链表的麻烦。Linux的简捷实用、不求完美

和标准的风格，在这里体现得相当充分。

图3 nf_socko