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2008-06-01 20:35:19

本文详细分析了 2.6.x 内核中链表结构的实现,并通过实例对每个链表操作接口进行了详尽的讲解。

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:



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。



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。

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。





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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

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