Linux内核常用接口和宏（一）LIST_HEAD

一、LIST_HEAD是什么LIST_HEAD是 Linux 内核中定义并初始化链表头的宏。它用于创建一个双向循环链表的头部节点。c复制下载#include linux/list.h LIST_HEAD(my_list);这个宏展开后等价于c复制下载struct list_head my_list { my_list, my_list };即创建一个名为my_list的链表头它的next和prev指针都指向自己空链表状态。二、内核链表的定义内核链表不是将链表指针嵌入数据中而是将链表节点嵌入数据结构中——这是一种侵入式链表设计。c复制下载// 链表节点结构内核定义 struct list_head { struct list_head *next; struct list_head *prev; }; // 使用时将 list_head 嵌入到你的数据结构中 struct my_data { int id; char name[20]; struct list_head list; // 链表节点 };三、LIST_HEAD的使用方式方式1LIST_HEAD定义链表头c复制下载#include linux/list.h #include linux/slab.h #include linux/module.h // 定义链表头静态初始化 LIST_HEAD(my_list); struct my_data { int id; char name[20]; struct list_head list; }; // 添加节点 void add_node(int id, const char *name) { struct my_data *node; node kmalloc(sizeof(*node), GFP_KERNEL); if (!node) return; node-id id; strncpy(node-name, name, sizeof(node-name) - 1); node-name[sizeof(node-name) - 1] \0; // 插入到链表头部 list_add(node-list, my_list); } // 遍历链表 void print_list(void) { struct my_data *entry; struct list_head *pos; list_for_each(pos, my_list) { entry list_entry(pos, struct my_data, list); printk(KERN_INFO ID: %d, Name: %s\n, entry-id, entry-name); } }方式2LIST_HEAD_INIT动态初始化如果链表头是动态分配的用LIST_HEAD_INIT初始化c复制下载struct list_head *my_list; my_list kmalloc(sizeof(*my_list), GFP_KERNEL); LIST_HEAD_INIT(my_list); // 或者 INIT_LIST_HEAD(my_list)四、内核链表的核心操作函数/宏作用LIST_HEAD(name)定义并初始化链表头INIT_LIST_HEAD(head)初始化已存在的链表头list_add(new, head)在 head 后面插入新节点头插list_add_tail(new, head)在 head 前面插入新节点尾插list_del(entry)从链表中删除节点list_empty(head)判断链表是否为空list_for_each(pos, head)遍历链表pos 是 list_head*list_for_each_safe(pos, n, head)安全遍历支持删除list_entry(ptr, type, member)从 list_head 获取包含它的结构体五、list_entry详解list_entry是内核链表最精妙的部分它通过成员指针反推结构体首地址。c复制下载#define list_entry(ptr, type, member) \ container_of(ptr, type, member) #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof(((type *)0)-member) *__mptr (ptr); \ (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \ })原理用offsetof计算member在结构体中的偏移量然后用ptr减去这个偏移量得到结构体的首地址。c复制下载struct my_data { int id; char name[20]; struct list_head list; // 假设偏移量是 24 字节 }; // 已知 node-list反推 node 的地址 struct my_data *node list_entry(node-list, struct my_data, list); // 等价于: (struct my_data*)((char*)node-list - 24)六、完整示例内核模块c复制下载#include linux/module.h #include linux/kernel.h #include linux/list.h #include linux/slab.h MODULE_LICENSE(GPL); // 定义链表头 LIST_HEAD(my_list); struct student { int id; char name[20]; struct list_head list; }; // 添加学生 static void add_student(int id, const char *name) { struct student *s kmalloc(sizeof(*s), GFP_KERNEL); if (!s) return; s-id id; snprintf(s-name, sizeof(s-name), %s, name); list_add_tail(s-list, my_list); // 尾插 } // 遍历打印 static void print_students(void) { struct student *s; struct list_head *pos; printk(KERN_INFO Student List \n); list_for_each(pos, my_list) { s list_entry(pos, struct student, list); printk(KERN_INFO ID: %d, Name: %s\n, s-id, s-name); } } // 删除指定 ID 的学生 static void delete_student(int id) { struct student *s; struct list_head *pos, *n; list_for_each_safe(pos, n, my_list) { s list_entry(pos, struct student, list); if (s-id id) { list_del(pos); kfree(s); printk(KERN_INFO Deleted student ID: %d\n, id); return; } } printk(KERN_INFO Student ID %d not found\n, id); } // 清空链表 static void clear_list(void) { struct student *s; struct list_head *pos, *n; list_for_each_safe(pos, n, my_list) { s list_entry(pos, struct student, list); list_del(pos); kfree(s); } } // 模块初始化 static int __init my_init(void) { printk(KERN_INFO Module loaded\n); add_student(1, Alice); add_student(2, Bob); add_student(3, Charlie); print_students(); delete_student(2); print_students(); return 0; } // 模块卸载 static void __exit my_exit(void) { clear_list(); printk(KERN_INFO Module unloaded\n); } module_init(my_init); module_exit(my_exit);七、LIST_HEAD与其他初始化方式对比方式代码适用场景LIST_HEAD(name)LIST_HEAD(my_list);静态定义链表头全局/局部变量INIT_LIST_HEAD(head)INIT_LIST_HEAD(my_list);动态初始化已存在的链表头LIST_HEAD_INIT(name)struct list_head my_list LIST_HEAD_INIT(my_list);定义时初始化与LIST_HEAD等价c复制下载// 三种方式的等价关系 LIST_HEAD(my_list); // 等价于 struct list_head my_list LIST_HEAD_INIT(my_list); // 等价于 struct list_head my_list; INIT_LIST_HEAD(my_list);八、为什么选择侵入式链表特性传统链表非侵入式Linux 侵入式链表节点包含数据节点内包含data指针数据包含list_head类型安全需要void*转换通过list_entry保证类型安全代码复用每个类型需要独立实现一套 API 适用于所有类型内存分配节点和数据分开分配一次分配缓存友好灵活性较低高同一数据可在多个链表中九、常见用法模式模式1结构体包含多个链表节点c复制下载struct task_struct { // ... struct list_head tasks; // 在全局任务链表中 struct list_head ptrace; // 在父进程的跟踪链表中 struct list_head run_list; // 在调度器运行队列中 // ... };模式2遍历并修改c复制下载// 安全遍历允许删除 struct list_head *pos, *n; list_for_each_safe(pos, n, my_list) { struct my_data *entry list_entry(pos, struct my_data, list); if (entry-id target_id) { list_del(pos); kfree(entry); } }十、总结问题答案LIST_HEAD是什么定义并初始化链表头的宏展开后是什么struct list_head name { name, name }链表头的作用作为双向循环链表的入口如何获取包含的结构体list_entry(pos, type, member)遍历用什么list_for_each()或list_for_each_safe()为什么用侵入式通用性强缓存友好一套 API 通吃一句话总结LIST_HEAD是 Linux 内核链表的起点它创建一个空的双向循环链表头配合list_entry和遍历宏构成了内核中最核心、最优雅的数据结构之一