数据结构（3）内核链表

一、内核链表

        内核链表是一种在操作系统内核中使用的数据结构，主要用于管理和组织内核对象。它是有头双向链表的一种实现。

内核链表的特点

1. 双向链表: 内核链表的每个节点都包含指向前一个节点和后一个节点的指针，这使得在链表中进行插入和删除操作时更加高效。

2. 高效性: 内核链表的操作通常在内核空间中进行，避免了用户空间和内核空间之间的上下文切换，从而提高了性能。

3. 简化的接口: 内核链表通常提供了一组宏和函数来简化链表的操作，例如添加、删除和遍历节点。这些操作通常是以宏的形式实现，以减少函数调用的开销。

1. offsetof

offsetof 是一个宏，用于获取结构体中某个成员相对于结构体起始位置的字节偏移量。它的定义通常如下：

#define offsetof(type, member) ((size_t) &((type *)0)->member)

用法

• 参数:

  • type: 结构体的类型。
  • member: 结构体中的成员名。

• 返回值: 返回指定成员相对于结构体起始位置的字节偏移量。

2. container_of

container_of 是一个宏，用于根据结构体成员的指针获取包含该成员的结构体的指针。它的定义通常如下：

#define container_of(ptr, type, member) \ ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

用法

• 参数:

  • ptr: 指向结构体成员的指针。
  • type: 结构体的类型。
  • member: 结构体中的成员名。

• 返回值: 返回指向包含该成员的结构体的指针。

二、内核链表的实现

KNode_t:代表链表中的一个节点。
包含两个指针：
ppre: 指向前一个节点的指针。
pnext: 指向下一个节点的指针。
typedef struct knode  
{  struct knode *ppre;  struct knode *pnext;  
} KNode_t;  
KLink_t:代表整个链表。
包含以下成员：
phead: 指向链表头节点的指针。
clen: 当前链表中的节点数量。
mutex: 用于线程安全的互斥锁，确保在多线程环境中对链表的操作是安全的。
typedef struct klink  
{  KNode_t *phead;  int clen;  pthread_mutex_t mutex;  
} KLink_t;  

1. create_klink
KLink_t *create_klink()  
{  KLink_t *pklink = malloc(sizeof(KLink_t));  if (NULL == pklink)  {  perror("fail malloc");  return NULL;  }  pklink->phead = NULL;  pklink->clen = 0;  pthread_mutex_init(&(pklink->mutex), NULL);  return pklink;  
}  
功能: 创建一个新的链表。
步骤:
使用 malloc 分配内存。
检查内存分配是否成功。
初始化链表头指针为 NULL，节点计数为 0，并初始化互斥锁。
返回值: 返回指向新链表的指针。
2. push_klink_head
int push_klink_head(KLink_t *pklink, void *p)  
{  KNode_t *pnode = (KNode_t *)p;  pnode->pnext = NULL;  pnode->ppre = NULL;  pnode->pnext = pklink->phead;  if (pklink->phead != NULL)  {  pklink->phead->ppre = pnode;  }  pklink->phead = pnode;  pklink->clen++;  return 0;  
}  
功能: 将一个节点插入到链表的头部。
步骤:
将传入的节点指针 p 转换为 KNode_t 类型。
设置新节点的前后指针。
将新节点插入到链表头部，并更新头指针。
增加链表的节点计数。
返回值: 返回 0 表示成功。
3. klink_for_each
void klink_for_each(KLink_t *pklink, void (*pfun)(void *))  
{  KNode_t *pnode = pklink->phead;  while (pnode != NULL)  {  pfun(pnode);  pnode = pnode->pnext;  }  printf("\n");  
}  
功能: 遍历链表并对每个节点执行指定的函数。
参数:
pklink: 指向链表的指针。
pfun: 指向处理每个节点的函数的指针。
步骤:
从链表头开始遍历，调用传入的函数处理每个节点。
4. push_klink_tail
int push_klink_tail(KLink_t *pklink, void *q)  
{  KNode_t* pnode = (KNode_t*)q;  pnode->pnext = NULL;  pnode->ppre = NULL;  if (NULL == pklink->phead)  {  pklink->phead = pnode;    }  KNode_t* p = pklink->phead;  while (p->pnext)  {  p = p->pnext;  }  p->pnext = pnode;  pnode->ppre = p;  return 0;  
}  
功能: 将一个节点插入到链表的尾部。
步骤:
将传入的节点指针 q 转换为 KNode_t 类型。
设置新节点的前后指针。
如果链表为空，将新节点设置为头节点。
否则，遍历到链表的最后一个节点，并将新节点添加到尾部。
返回值: 返回 0 表示成功。
5. pop_klink_head
int pop_klink_head(KLink_t *pklink)  
{  if (NULL == pklink->phead)  {  return 0;  }  KNode_t* pnode = pklink->phead;  pklink->phead = pnode->pnext;  if (pklink->phead != NULL)  {  pklink->phead->ppre = NULL;  }  free(pnode);  return 0;  
}  
功能: 从链表的头部删除一个节点。
步骤:
检查链表是否为空。
保存当前头节点，并将头指针更新为下一个节点。
如果新的头节点不为空，更新其前指针。
释放被删除节点的内存。
返回值: 返回 0 表示成功。

三、内核链表和普通双向链表的区别

1. 目的和使用场景

• 内核链表:

  • 主要用于操作系统内核中，处理任务调度、资源管理、设备驱动等。
  • 需要高效的插入、删除和遍历操作，以满足实时性和性能要求。

• 普通双向链表:

  • 通常用于应用程序中，处理数据存储、缓存、队列等。
  • 设计上更关注易用性和灵活性，而不是极端的性能优化。

2. 结构和实现

• 内核链表:

  • 通常使用更简洁的结构，可能不包含数据部分，节点结构只包含指向前后节点的指针。
  • 数据部分通常与链表分开，链表节点只负责链接，数据通过其他方式管理。

• 普通双向链表:

  • 节点结构通常包含数据部分和指向前后节点的指针。
  • 每个节点都是完整的，包含数据和指针，便于直接操作。

3. 线程安全

• 内核链表:

  • 设计时通常考虑到多线程环境，可能会使用互斥锁或其他同步机制来确保线程安全。
  • 需要处理并发访问，确保数据一致性。

• 普通双向链表:

  • 通常不考虑线程安全，使用时需要开发者自行管理。
  • 在单线程环境中使用时，简单易用，但在多线程环境中可能会出现数据竞争问题。