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？

Mr.Dave在他的博客里介绍了自己的实现，这个实现是个很好的方案，各位不妨可以参考一下。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。

#ifndef __C_LIST_H
#define __C_LIST_H

typedef unsigned char     u8;
typedef unsigned short    u16;
typedef unsigned int      u32;
typedef unsigned long     size_t;

#define offsetof(TYPE, MEMBER)   ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

/**
 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
 * @ptr:    the pointer to the member.
 * @type:    the type of the container struct this is embedded in.
 * @member:    the name of the member within the struct.
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member) (type *)((char *)ptr -offsetof(type,member))

/*
 * These are non-NULL pointers that will result in page faults
 * under normal circumstances, used to verify that nobody uses
 * non-initialized list entries.
 */
#define LIST_POISON1  ((void *) 0x00100100)
#define LIST_POISON2  ((void *) 0x00200200)

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

/**
 * list_entry - get the struct for this entry
 * @ptr:    the &struct list_head pointer.
 * @type:    the type of the struct this is embedded in.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_entry(ptr, type, member) \
    container_of(ptr, type, member)
    

#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }

#define LIST_HEAD(name) \
    struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
    list->next = list;
    list->prev = list;
}

/**
 * list_for_each    -    iterate over a list
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop counter.
 * @head:    the head for your list.
 */
#define list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

/**
 * list_for_each_r    -    iterate over a list reversely
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop counter.
 * @head:    the head for your list.
 */
#define list_for_each_r(pos, head) \
    for (pos = (head)->prev; pos != (head); pos = pos->prev)    

/*
 * Insert a new entry between two known consecutive entries.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
static inline void __list_add(struct list_head *new,
                  struct list_head *prev,
                  struct list_head *next)
{
    next->prev = new;
    new->next = next;
    new->prev = prev;
    prev->next = new;
}

/**
 * list_add - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it after
 *
 * Insert a new entry after the specified head.
 * This is good for implementing stacks.
 */
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head, head->next);
}

/**
 * list_add_tail - add a new entry
 * @new: new entry to be added
 * @head: list head to add it before
 *
 * Insert a new entry before the specified head.
 * This is useful for implementing queues.
 */
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
    __list_add(new, head->prev, head);
}

/*
 * Delete a list entry by making the prev/next entries
 * point to each other.
 *
 * This is only for internal list manipulation where we know
 * the prev/next entries already!
 */
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
    next->prev = prev;
    prev->next = next;
}

/**
 * list_del - deletes entry from list.
 * @entry: the element to delete from the list.
 * Note: list_empty on entry does not return true after this, the entry is
 * in an undefined state.
 */
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry->prev, entry->next);
    entry->next = LIST_POISON1;
    entry->prev = LIST_POISON2;
}


/**
 * list_empty - tests whether a list is empty
 * @head: the list to test.
 */
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
    return head->next == head;
}


static inline void __list_splice(struct list_head *list,
                 struct list_head *head)
{
    struct list_head *first = list->next;
    struct list_head *last = list->prev;
    struct list_head *at = head->next;

    first->prev = head;
    head->next = first;

    last->next = at;
    at->prev = last;
}

/**
 * list_splice - join two lists
 * @list: the new list to add.
 * @head: the place to add it in the first list.
 */
static inline void list_splice(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list))
        __list_splice(list, head);
}


#endif // __C_LIST_H

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;
};

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。