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玩转C链表

简介:

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:

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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:

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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。

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

Linux内核为链表提供了一致的访问接口。

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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。

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#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:

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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。

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#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。

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#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。

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