Linux链表操作全解析

本文系统讲解 Linux 下 C 语言链表的使用原理、最佳实践及内核模块中的实战示例，适合嵌入式开发者、驱动工程师和系统软件开发者。

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一、链表基础概念与内核链表优势

1.1 为什么使用链表？

• 动态插入/删除效率高（相比数组不需要整体移动元素）
• 内存利用率高（按需分配）
• 常用于队列、任务调度、资源池、驱动设备列表等场景

1.2 Linux 内核链表与用户态链表的区别

项目	用户态实现	内核态实现
指针结构	自定义指针结构	使用 struct list_head
安全性	程序员自行维护	提供安全宏/内联函数
插入/删除API	手动实现	提供统一接口如 list_add
迭代方式	手动循环	宏如 list_for_each_entry

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二、内核链表结构与宏解析

struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};

常用宏/函数

• INIT_LIST_HEAD(ptr)
• list_add(new, head)：头插法
• list_add_tail(new, head)：尾插法
• list_del(entry)
• list_empty(head)
• list_for_each_entry(pos, head, member)
• list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)

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三、内核链表的优点

• 双向循环结构：从任意节点出发都能遍历完整链表
• 插入删除不涉及内容拷贝：仅修改指针
• 接口统一、安全可靠：可结合 container_of 获取真实结构体指针

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四、用户态链表示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>typedef struct student {int id;char name[20];struct student *next;
} student_t;void add_student(student_t **head, int id, const char *name) {student_t *new_node = malloc(sizeof(student_t));new_node->id = id;strncpy(new_node->name, name, sizeof(new_node->name));new_node->next = *head;*head = new_node;
}void print_students(student_t *head) {while (head) {printf("ID: %d, Name: %s\n", head->id, head->name);head = head->next;}
}

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五、双向循环链表在内核中的实现优势

5.1 插入效率

在头部插入只需两次指针操作：

list_add(&new_node->list, &head);

5.2 安全遍历删除

list_for_each_entry_safe(ptr, tmp, &head, list) {list_del(&ptr->list);kfree(ptr);
}

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六、典型应用场景

场景	描述
设备驱动管理	管理设备结构体（如 net_device）
定时器链表	内核定时器统一调度
slab 分配器链表	管理对象缓存池
进程调度/等待队列	管理 PCB / wait queue
协议栈管理	TCP/UDP 的 socket 链表

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七、调试技巧与常见陷阱

7.1 打印链表内容

#define print_list(head) \list_for_each_entry(ptr, head, list) \printk(KERN_INFO "Node: %s\n", ptr->name);

7.2 常见错误

• 忘记初始化 INIT_LIST_HEAD
• 使用已释放节点（UAF）
• 非安全删除遍历（未使用 list_for_each_entry_safe）

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八、实战案例：Linux 内核模块中的链表使用

8.1 模块源码

// mylist_module.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/list.h>MODULE_LICENSE("GPL");struct student {int id;char name[20];struct list_head list;
};static LIST_HEAD(student_list);static int __init mylist_init(void)
{int i;struct student *stu;printk(KERN_INFO "Loading student list module...\n");for (i = 1; i <= 5; ++i) {stu = kmalloc(sizeof(*stu), GFP_KERNEL);stu->id = i;snprintf(stu->name, sizeof(stu->name), "Student%d", i);INIT_LIST_HEAD(&stu->list);list_add_tail(&stu->list, &student_list);}return 0;
}static void __exit mylist_exit(void)
{struct student *stu, *tmp;printk(KERN_INFO "Unloading student list module...\n");list_for_each_entry_safe(stu, tmp, &student_list, list) {list_del(&stu->list);kfree(stu);}
}module_init(mylist_init);
module_exit(mylist_exit);

8.2 Makefile 编译模块

obj-m += mylist_module.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modulesclean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

8.3 插入与卸载模块

$ make
$ sudo insmod mylist_module.ko
$ dmesg | tail -n 10
$ sudo rmmod mylist_module
$ dmesg | tail -n 10

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九、总结：开发建议

建议项	内容
一定初始化链表头	使用 INIT_LIST_HEAD 初始化
删除节点用安全宏	list_for_each_entry_safe 防止遍历时删除崩溃
内存管理责任明确	kmalloc/kfree 成对使用
多线程环境加锁	必要时配合 spinlock 或 mutex
定位 bug 用 printk	输出 prev, next, 数据字段调试链表结构

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本文涵盖了从用户态链表构造到 Linux 内核模块链表的实战应用，帮助你在驱动开发和内核开发中熟练掌握链表的构造与使用。