深入理解TAILQ队列

工作的主要内容是tcp/ip，平台是FreeBSD，而且在内核态开发，所以很多情况下会涉及内核的一些数据结构和宏，比如说mbuf和TAILQ等。 TAILQ是FreeBSD/linux内核对双向队列操作的一种抽象，抽象程度不亚于C++，能实现操作队列需要的各种操作：插入元素，删除元素，遍历队列等。这个队列的优点是插入元素很快。 这里先回顾一下队列的特点（来自维基百科%E9%98%9F%E5%88%97）：

队列，又稱為佇列（英文queue），是先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的线性表。在具体应用中通常用链表或者数组来实现。

FreeBSD中的TAILQ把整个队列头抽象为一个单独的数据结构，我们先看看FreeBSD中的TAILQ相关宏，然后再举例子理解这些宏。 这里用最简单的一个结构体来理解TAILQ，这个结构体中有一个int型整数，还有两个分别指向前方和后方的指针。

1.描述前一个和下一个元素的结构体

458 #define TAILQ_ENTRY(type)                       \
459 struct {                                \
460     struct type *tqe_next;  /* next element */          \
461     struct type **tqe_prev; /* address of previous next element */  \
462     TRACEBUF                            \
463 }

这是TAILQ对两个指向前后两个元素指针的抽象，抽象为TAILQ_ENTRY结构体：tqe_next是指向下一个元素的指针，tqe_prev是一个二级指针，指针变量的地址，是前一个元素的tqe_next的地址，解引用(*tqe_prev)之后就是本元素的内存地址；TRACEBUF是一个调试相关的宏，我们先不管它。举例： 我们声明一个结构体，这个结构体只有一个int型整数，还有前驱和后继指针。

struct int_node{
	int num;
	TAILQ_ENTRY(int_node);
};

宏展开之后就变成：

struct int_node{
	int num;
	struct int_node *tqe_next;  /* next element */ 
	sturct int_node **tqe_prev; /* address of previous next element */
};

例如：
2.队列头
TAILQ把整个队列头单独抽象为一个结构体TAILQ_HEAD，如下：

445 /*
446  * Tail queue declarations.
447  */
448 #define TAILQ_HEAD(name, type)                      \
449 struct name {                               \
450     struct type *tqh_first; /* first element */         \
451     struct type **tqh_last; /* addr of last next element */     \
452     TRACEBUF                            \
453 }

这个宏实际上使用的时候，会展开成为一个结构体，tqh_first是一个一级指针，指向队列中的第一个元素；tqh_last是一个二级指针，它指向最后一个元素中的tqe_next（请参考上面的TAILQ_ENTRY），也就是最后一个元素的tqe_next的地址，指针的地址就是二级指针；TRACEBUF是一个用来调试的宏，不用管它。举例： 声明一个叫做queue_head的队列头：

TAILQ_HEAD(my_int_struct, my_int) queue_head;

宏展开之后就会变成（不管TRACEBUF宏）：

struct int_head {
	struct int_node *tqh_first; /* first element */
	struct int_node **tqh_last; /* addr of last next element */
} queue_head;

如图：用下面的宏初始化这个队列头：

534 #define TAILQ_INIT(head) do {                       \
535     TAILQ_FIRST((head)) = NULL;                 \
536     (head)->tqh_last = &TAILQ_FIRST((head));            \
537     QMD_TRACE_HEAD(head);                       \
538 } while (0)

变成：
3.插入元素
插入元素用TAILQ_INSERT_TAIL宏，由于TAILQ中有一个tqh_last的二级指针，所以插入元素直接插到队尾，仅用O(1)时间。

578 #define TAILQ_INSERT_TAIL(head, elm, field) do {            \
579     QMD_TAILQ_CHECK_TAIL(head, field);              \
580     TAILQ_NEXT((elm), field) = NULL;                \
581     (elm)->field.tqe_prev = (head)->tqh_last;           \
582     *(head)->tqh_last = (elm);                  \
583     (head)->tqh_last = &TAILQ_NEXT((elm), field);           \
584     QMD_TRACE_HEAD(head);                       \
585     QMD_TRACE_ELEM(&(elm)->field);                  \
586 } while (0)

QMD_TAILQ_CHECK_TAIL，QMD_TRACE_HEAD，QMD_TRACE_ELEM这三个宏和调试信息相关和做一些必要的检查，我们可以先不管；这个宏就是在调整相关的指针指向。我们向一个空队列插入两个元素2来理解这个宏： 3.1 580行让新元素的tqe_next指向空，执行完第580行：3.2 581行让新元素的tqe_prev赋值为tqh_last，也就是指向队列头中的tqh_first的地址，执行完第581行：3.3 582行让二级指针tqh_last中的内容指向新元素，也就是tqh_first指向新元素，执行完第582行：3.4 583行，队列头的tqh_last赋值为新元素的tqe_next的地址（指针的地址，二级指针），执行完第583行：这就是插入2后的整个链表。
4.删除元素
删除元素用TAILQ_REMOVE宏

596 #define TAILQ_REMOVE(head, elm, field) do {             \
597     QMD_SAVELINK(oldnext, (elm)->field.tqe_next);           \
598     QMD_SAVELINK(oldprev, (elm)->field.tqe_prev);           \
599     QMD_TAILQ_CHECK_NEXT(elm, field);               \
600     QMD_TAILQ_CHECK_PREV(elm, field);               \
601     if ((TAILQ_NEXT((elm), field)) != NULL)             \
602         TAILQ_NEXT((elm), field)->field.tqe_prev =      \
603             (elm)->field.tqe_prev;              \
604     else {                              \
605         (head)->tqh_last = (elm)->field.tqe_prev;       \
606         QMD_TRACE_HEAD(head);                   \
607     }                               \
608     *(elm)->field.tqe_prev = TAILQ_NEXT((elm), field);      \
609     TRASHIT(*oldnext);                      \
610     TRASHIT(*oldprev);                      \
611     QMD_TRACE_ELEM(&(elm)->field);                  \
612 } while (0)

QMD_SAVELINK，QMD_TAILQ_CHECK_NEXT，QMD_TAILQ_CHECK_PREV，TRASHIT，同样先不管这几个宏。我们从队列中删除一个元素来理解这个宏： 4.1 假设经过上节插入元素2之后，我们用TAILQ_INSERT_TAIL再插入一个元素1，没有删除之前的链表如下图：现在假设我们删除队列中的第一个元素2 4.2 602和603在调整当前元素的下一个元素的tqe_prev指针，执行完第602行和603行之后：4.3 608调整当前元素tqe_prev中的内容，执行完第608行之后：4.4 释放结点2的空间之后，最后的链表：
5.队列中的第一个元素

512 #define TAILQ_FIRST(head)   ((head)->tqh_first)

6.当前元素的下一个元素

591 #define TAILQ_NEXT(elm, field) ((elm)->field.tqe_next)

这个宏比较简单。
7.遍历链表中的每一个元素
用宏TAILQ_FOREACH

514 #define TAILQ_FOREACH(var, head, field)                 \
515     for ((var) = TAILQ_FIRST((head));               \
516         (var);                          \
517         (var) = TAILQ_NEXT((var), field))

这个宏就比较简单了，用临时变量var来遍历链表中的每一个元素。 这些宏就是几个操作TAILQ经常使用的宏，还有一些诸如TAILQ_INSERT_HEAD等宏，类似，请自行看代码，这里就不一一叙述了。这篇文章主要是理解相关的宏和插入删除过程，完整的应用例子请看下面的参考文献。

参考资料：

• 1.FreeBSD官方网站这里的代码示例是FreeBSD 7.0版本，上面这个链接教你如何获得FreeBSD的代码。
  上面这个链接是FreeBSD的tag信息。
  
  
• 2.graphviz画图软件 style="margin:0px;padding:0px;" /> 这里优美的图是用AT&T强大的开源画图工具graphviz生成的。为什么不用visio，dia，diagram designer等拖拉拽的画图工具？因为很难画成心中想要的那种图形，虽然还需要点学习时间，但是掌握之后画拓扑图就是传说中的所想即所得。关于如何用graphviz画出图示中的双向队列，请看我的另一篇博文：  style="margin:0px;padding:0px;" />
  
• 3.其他TAILQ参考资料3.1 来自iteye的一篇很好的文章，举了一个应用TAILQ的例子http://bachmozart.iteye.com/blog/292836/ ，不过个人感觉里面的那个图对二级指针的描述还是不够好。
  3.2 这里也提供了一个TAILQ应用的例子 http://blog.linuxphp.org/archives/1485/
  3.3 来自FreeBSDchina论坛的讲解