Linux内核数据结构之链表

Posted 2020-09-20 杨铭宇

与经典双向链表比较

  经典双向链表如图。其中有一个pre指针和一个next指针，数据是在链表的节点内。

 

  内核链表如图。每一个链表节点内只有一个pre指针和一个next指针，整个链表节点嵌入到了一个需要使用链表的结构体内。

内核链表介绍

  内核链表节点结构体定义如图。其中next指针指向下一个链表节点，prev指针指向前一个链表节点。

 

  前面已经说过，内核链表节点是嵌入到数据节点内的，那么就产生了一个问题，如何访问到链表所在结构体的指针呢？

  内核链表中通过list_entry宏来访问到链表所在结构体的指针，如下图。其中有3个参数ptr、type、member，根据注释可知，ptr是指向链表节点成员的指针变量，type就是链表节点嵌入的结构体，即包含数据成员的结构体，member是type结构体中定义的链表节点成员使用的名称。

 

  list_entry宏中还包含了2个宏，分别为container_of和container_of中使用的offsetof，分别如下两图。

  在GNU C中，圆括号包围的符合语句可以生成返回值，在container_of中，定义__mptr是为了防止出现ptr++等副作用。

  offsetof宏就是取type结构体中member成员相对于0地址的偏移量，最后通过__mptr减去这个偏移量，就可以获取到链表节点所在结构体的指针了。

 

 

常用函数

  INIT_LIST_HEAD：初始化一个链表头节点。

 

  list_add_tail：添加一个成员到链表尾。

 

  list_del：删除一个元素。

  如下图，在删除一个元素的时候，next和prev都不是指向null，而是分别指向了LIST_POISON1和LIST_POISON2两个指定的地址。这是为了防止有的节点申请内存错误的时候也是null，所以用了两个特定的地址，LIST_POISON1和LIST_POISON2都是低位地址，在内核空间申请内存时是不会出现的。

 

  List_empty：检查链表是否为空。

 

  list_for_each_entry：遍历链表，通过list_entry获取到外结构体指针。

 

内核链表的使用

  首先定义结构体，数据为ch和grade，ch保存学生姓名，grade保存学生成绩。

  然后定义one、two、three三名学生，给他们的姓名和分数赋值。定义一个链表头。

 

  调用INIT_LIST_HEAD进行初始化，然后one、two、three三个结点中list_head插入到链表中。

 

  最后调用list_for_each宏遍历输出链表，list_for_each中通过list_entry获取链表结点所在结构体。

#include<linux/kernel.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/list.h>
#include<linux/slab.h>

struct k_list 
{
    struct list_head test_list;
    char ch;
    int grade;
};


static __init int list_op_init(void) 
{

    struct k_list *one, *two, *three, *entry;
    struct list_head test_head;
    struct list_head *ptr;

    one = kmalloc(sizeof(struct k_list *), GFP_KERNEL);
    two = kmalloc(sizeof(struct k_list *), GFP_KERNEL);
    three = kmalloc(sizeof(struct k_list *), GFP_KERNEL);

    one->ch = \'A\';
    two->ch = \'B\';
    three->ch = \'C\';
    one->grade = 90;
    two->grade = 85;
    three->grade = 88;

    INIT_LIST_HEAD(&test_head);
    list_add(&one->test_list, &test_head);
    list_add(&two->test_list, &test_head);
    list_add(&three->test_list, &test_head);

    list_for_each(ptr, &test_head){
        entry=list_entry(ptr, struct k_list, test_list);
        printk(KERN_INFO "\\n Hello %c,%d  \\n", entry->ch, entry->grade);
    }

    printk(KERN_INFO "\\n Deleting first entry \\n");
    list_del(&one->test_list);
    kfree((void *)one);
    one = NULL;

    list_for_each(ptr,&test_head){
        entry=list_entry(ptr, struct k_list, test_list);
        printk(KERN_INFO "\\n Hello %c,%d  \\n", entry->ch, entry->grade);
    }

    printk(KERN_INFO "\\n Deleting second entry \\n");
    list_del(&two->test_list);
    kfree((void *)two);
    two = NULL;

    list_for_each(ptr, &test_head){ 
        entry=list_entry(ptr, struct k_list, test_list);
        printk(KERN_INFO "\\n Hello %c,%d  \\n", entry->ch, entry->grade);
    }

    printk(KERN_INFO "\\n Deleting third entry \\n");
    list_del(&three->test_list);
    kfree((void *)three);

    
    list_for_each(ptr, &test_head){
        entry=list_entry(ptr, struct k_list, test_list);
        printk(KERN_INFO "\\n Hello %c,%d  \\n", entry->ch, entry->grade);
    }

    return 0;
}

static __exit void list_op_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "k_list module exit successfully! ...\\n");
}

module_init(list_op_init);
module_exit(list_op_exit);

Makefile文件内容如下：

obj-m += k_list.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

  以上代码是在Linux内核中编写，首先进行make，然后通过insmod加载内核模块，再通过dmesg可以查看输出结果，最后通过rmmod卸载内核模块。

  输出结果如下：