玩转C链表

链表是C语言编程中常用的数据结构，比如我们要建一个整数链表，一般可能这么定义：

struct int_node {int val;struct int_node *next;};

 

为了实现链表的插入、删除、遍历等功能，另外要再实现一系列函数，比如：

void insert_node(struct int_node **head, int val);void delete_node(struct int_node *head, struct int_node *current);void access_node(struct int_node *head){struct int_node *node;for (node = head; node != NULL; node = node->next) {// do something here}}

 

如果我们的代码里只有这么一个数据结构的话，这样做当然没有问题，但是当代码的规模足够大，需要管理很多种链表，难道需要为每一种链表都要实现一套插入、删除、遍历等功能函数吗？

熟悉C++的同学可能会说，我们可以用标准模板库啊，但是，我们这里谈的是C，在C语言里有没有比较好的方法呢？

在本文中，我们把目光投向当今开源界最大的C项目--Linux Kernel，看看Linux内核如何解决这个问题。

Linux内核中一般使用双向链表，声明为struct list_head，这个结构体是在include/linux/types.h中定义的，链表的访问是以宏或者内联函数的形式在include/linux/list.h中定义。

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

 

Linux内核为链表提供了一致的访问接口。

void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)；void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)；void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)；void list_del(struct list_head *entry);int list_empty(const struct list_head *head)；

 

以上只是从Linux内核里摘选的几个常用接口，更多的定义请参考Linux内核源代码。

我们先通过一个简单的实作来对Linux内核如何处理链表建立一个感性的认识。

#include <stdio.h>#include "list.h"struct int_node {int val;struct list_head list;};int main(){struct list_head head, *plist;struct int_node a, b;a.val = 2;b.val = 3;INIT_LIST_HEAD(&head);list_add(&a.list, &head);list_add(&b.list, &head);list_for_each(plist, &head) {struct int_node *node = list_entry(plist, struct int_node, list);printf("val = %d\n", node->val);}return 0;}

 

看完这个实作，是不是觉得在C代码里管理一个链表也很简单呢？

代码中包含的头文件list.h是我从Linux内核里抽取出来并做了一点修改的链表处理代码，现附在这里给大家参考，使用的时候只要把这个头文件包含到自己的工程里即可。

代码

list_head通常是嵌在数据结构内使用，在上文的实作中我们还是以整数链表为例，int_node的定义如下：

struct int_node {int val;struct list_head list;};

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使用list_head组织的链表的结构如下图所示：

遍历链表是用宏list_for_each来完成。

#define list_for_each(pos, head) \for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \pos = pos->next)

 

在这里，pos和head均是struct list_head。在遍历的过程中如果需要访问节点，可以用list_entry来取得这个节点的基址。

#define list_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)

 

我们来看看container_of是如何实现的。如下图所示，我们已经知道TYPE结构中MEMBER的地址，如果要得到这个结构体的地址，只需要知道MEMBER在结构体中的偏移量就可以了。如何得到这个偏移量地址呢？这里用到C语言的一个小技巧，我们不妨把结构体投影到地址为0的地方，那么成员的绝对地址就是偏移量。得到偏移量之后，再根据ptr指针指向的地址，就可以很容易的计算出结构体的地址。

list_entry就是通过上面的方法从ptr指针得到我们需要的type结构体。

Linux内核代码博大精深，陈莉君老师曾把它形容为“覆压三百余里，隔离天日”（摘自《阿房宫赋》），可见其内容之丰富、结构之庞杂。内核里有着众多重要的数据结构，具有相关性的数据结构之间很多都是用本文介绍的链表组织在一起，看来list_head结构虽小，作用可真不小。

Linux内核是个伟大的工程，其源代码里还有很多精妙之处，值得C/C++程序员认真去阅读，即使我们不去做内核相关的工作，阅读精彩的代码对程序员自我修养的提高也是大有裨益的。