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Linux内核【链表】整理笔记(2)

分类： LINUX

2015-05-17 00:16:53

关于链表我们更多时候是对其进行遍历的需求，上一篇博文里我们主要认识了一下和链表操作比较常用的几个内核API接口，其入参全都是清一色的struct list_head{}类型。至于链表的遍历，内核也有一组基本的接口(其实都是宏定义的)供开发者调用。

 
   首先是list_for_each(pos, head)，参数pos是需要开发者在外部提供的一个临时struct list_head{}类型的指针对象，类似于for循环的i、j、k之类的游标，head是我们要遍历的链表头。常见用法：

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  1. LIST_HEAD(student_list);
  2. struct list_head *stu;
  3. list_for_each(stu, &student_list){
  4.     //在这个作用域里，指针stu依次指向student_list里的每一个struct list_head{}成员节点
  5. }

   当然stu指向的是struct list_head{}类型的对象，我们一般是需要指向struct student{}的才对，此时list_entry(ptr, type, member)就出场了，它完全是container_of(ptr, type, member)的一个别名而已。container_of()就是根据type类型结构体中的member成员的指针ptr，反身找到该member所在结构体对象的type首地址。废话不多说，上图：
   此时的用法就变成下面这样子：

   注意结合上图，领会一下list_entry(ptr,type,member)三个参数之间的关系。这样如果每次要遍历链表时既要定义临时的struct list_head{}指针变量，又要定义目标结构体对象指针变量，总感觉些许不爽。好在Linux感知到了你的J点，于是乎：

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  1. list_for_each_entry(pos, head, member)

    横空出世。参数pos和member意义没有变，而head则指向我们要遍历的链表首地址，这样一来开发者不用再自己定义struct list_head{}类型临时指针变量，只要需要自己定义一个的目标数据结构的临时指针变量就可以了：

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  1. LIST_HEAD(student_list);
  2. struct student *st;
  3. list_for_each_entry(st, &student_list, stu_list){
  4.     //Todo here … …
  5. }

   此时指针变量st，就相当于for循环的游标变量i了。
   当然，内核能感知的远不止于此，还有一个名为list_for_each_entry_reverse(pos, head, member)的宏，用于对双向链表的逆向遍历，参数的意义和list_for_each_entry()完全一样，区别在它是对链表从尾部到首部进行依次遍历。该接口主要是为了提高链表的访问速度，考虑两种情况：

第一，如果你明确知道你要访问的节点会出现在链表靠后的位置；

第二，如果你需要用双向链表实现一个类似于“栈”的数据结构；

针对以上两种需求，相比于list_for_each_entry()，list_for_each_entry_reverse()的速度和效率明显优于前者。为了追求极致，内核开发者们就是这么任性，没办法。

上述两个接口在遍历链表时已经完全可以胜任，但还无法满足删除的需求，原因是…算了，都懒的说了，把那两个宏展开，在纸上画一下，如果要删除节点，会发生什么“神奇”的事情就一目了然了。那如果遍历链表过程中要删除节点，该怎么办？咱接着唠：

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  1. list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)


   如果你还没看过list.h文件，那么单从list_for_each_entry_safe(pos,n,head,member)的四个入参命名上，应该可以读懂它们的意思和用法了吧！如果你已经在纸上画过了，那么新增的n很明显应该是pos指针所指元素的下一个节点的地址，注意，pos和n都是目标结构体的类型，而非struct list_head{}类型，本例中它们都是struct student{}类型的指针，童鞋们可不要犯迷糊了。现在用法就更简单了：

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  1. LIST_HEAD(student_list);
  2. struct student *st,*next;
  3. list_for_each_entry_safe (st, next,&student_list, stu_list){
  4.     //在这里可以对st所指向的节点做包括删除在内的任意操作
  5.     //但千万别操作next，它是由list_for_each_entry_safe()进行维护的
  6. }


   不用多想，肯定也存在一个名为list_for_each_entry_safe_reverse(pos, n, head, member)的宏。简单小节一下：
   1)、list_for_each_entry()和list_for_each_entry_reverse()，如果只需要对链表进行遍历，这两个接口效率要高一些；
   2)、list_for_each_entry_safe()和list_for_each_entry_safe_reverse()，如果遍历过程中有可能要对链表进行删除操作，用这两个；
   实际项目中，大家可以根据具体场景而考虑使用哪种方式。另外，关于链表遍历，内核还有其他一些列list_for_*相关的宏可供调用，这里就不一一阐述了，list.h源码里面无论是注释还是实现都相当明确。

   
   说了老半天，还是操练几把感受感受，模拟训练之“内核级精简版学生管理系统”：
   头文件student.h长相如下：

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  1. /*student.h*/
  2. #ifndef __STUDENT_H_
  3. #define __STUDENT_H_

  5. #include <linux/list.h>
  6. #define MAX_STRING_LEN 32
  7. typedef struct student
  8. {
  9.         char m_name[MAX_STRING_LEN];
  10.         char m_sex;
  11.         int m_age;
  12.         struct list_head m_list;  /*把我们的学生对象组织成双向链表，就靠该节点了*/
  13. }Student;
  14. #endif
 
   源文件student.c长相也不丑陋：

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  1. #include <linux/module.h>
  2. #include <linux/kernel.h>
  3. #include <linux/init.h>

  5. #include "student.h"

  7. MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
  8. MODULE_AUTHOR("Koorey Wung");

  10. static int dbg_flg = 0;

  12. LIST_HEAD(g_student_list);

  14. static int add_stu(char* name,char sex,int age)
  15. {
  16.         Student *stu,*cur_stu;

  18.         list_for_each_entry(cur_stu,&g_student_list,m_list){ //仅遍历是否有同名学生，所以用该接口
  19.                 if(0 == strcmp(cur_stu->m_name,name))
  20.                 {
  21.                         printk("Error:the name confict!\n");
  22.                         return -1;
  23.                 }
  24.         }

  26.         stu = kmalloc(sizeof(Student), GFP_KERNEL);
  27.         if(!stu)
  28.         {
  29.                 printk("kmalloc mem error!\n");
  30.                 return -1;
  31.         }

  33.         memset(stu,0,sizeof(Student));
  34.         strncpy(stu->m_name,name,strlen(name));
  35.         stu->m_sex = sex;
  36.         stu->m_age = age;
  37.         INIT_LIST_HEAD(&stu->m_list);

  39.         if(dbg_flg)
  40.                 printk("(Add)name:[%s],\tsex:[%c],\tage:[%d]\n",stu->m_name,stu->m_sex,stu->m_age);

  41.
  42.         list_add_tail(&stu->m_list,&g_student_list); //将新学生插入到链表尾部，很简单吧

  44.         return 0;
  45. }
  46. EXPORT_SYMBOL(add_stu);    //导出该函数，后面我们要在其他模块里调用，为了便于测试，下面其他借个接口类似

  48. static int del_stu(char *name)
  49. {
  50.         Student *cur,*next;
  51.         int ret = -1;
  52.         list_for_each_entry_safe(cur,next,&g_student_list,m_list){  //因为要删除链表的节点，所以必须有带有“safe”的宏接口
  53.                 if(0 == strcmp(name,cur->m_name))
  54.                 {
  55.                         list_del(&cur->m_list);
  56.                                 printk("(Del)name:[%s],\tsex:[%c],\tage:[%d]\n",cur->m_name,\
  57.                                         cur->m_sex,cur->m_age);
  58.                         kfree(cur);
  59.                         cur = NULL;
  60.                         ret = 0;
  61.                         break;
  62.                 }
  63.         }
  64.         return ret;
  65. }
  66. EXPORT_SYMBOL(del_stu);

  68. static void dump_students(void)
  69. {
  70.         Student *stu;
  71.         int i = 1;
  72.         printk("===================Student List================\n");
  73.         list_for_each_entry(stu,&g_student_list,m_list){  //同样，也仅遍历链表而已
  74.                 printk("(%d)name:[%s],\tsex:[%c],\tage:[%d]\n",i++,stu->m_name,\
  75.                         stu->m_sex,stu->m_age);
  76.         }
  77.         printk("===============================================\n");
  78. }
  79. EXPORT_SYMBOL(dump_students);

  81. static void init_system(void)
  82. {
  83.         /*初始化时，向链表g_student_list里添加6个节点*/
  84.         add_stu("Tom",'m',18);
  85.         add_stu("Jerry",'f',17);
  86.         add_stu("Alex",'m',18);
  87.         add_stu("Conory",'f',18);
  88.         add_stu("Frank",'m',17);
  89.         add_stu("Marry",'f',17);
  90. }

  92. /*因为没有数据库，所以当我们的模块退出时，需要释放内存*/
  93. static void clean_up(void)
  94. {
  95.         Student *stu,*next;
  96.         list_for_each_entry_safe(stu,next,&g_student_list,m_list){
  97.                 list_del(&stu->m_list);
  98.                 printk("Destroy [%s]\n",stu->m_name);
  99.                 kfree(stu);
  100.         }
  101. }

  103. /*模块初始化接口*/
  104. static int student_mgt_init(void)
  105. {
  106.         printk("Student Managment System,Initializing...\n");

  108.         init_system();
  109.         dbg_flg = 1;   //从此以后，再调用add_stu()时，都会有有内核打印信息，详见实例训练
  110.         dump_students();

  112.         return 0;
  113. }

  115. static void student_mgt_exit(void)
  116. {
  117.         clean_up();
  118.         printk("System Terminated!\n");
  119. }

  121. module_init(student_mgt_init);
  122. module_exit(student_mgt_exit);

    Makefile：

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  1. obj-m += student.o tools.o
  2. CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
  3. LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
  4. LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL)
  5. all:
  6.         make -I. -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
  7. clean:
  8.         make -I. -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean
    
   其中tools.c是一个辅助模块，用于实现从用户空间直接调用调用内核空间EXPORT_SYMBOL出来的任意一个API接口，比如add_stu()、del_stu()或者dump_students()等等。OK，万事俱备，只欠东风，一条make命令下去，然后好戏正式开始：

   总的来说，Linux内核链表的使用还算比较简单基础，是内核学习的入门必修课。当然实际项目中，对链表进行插入或者删除时如果有同步或者互斥需求，则需要采用诸如互斥锁之类的内核保护手段，防止对链表操作时出现竞争冒险现象。
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