linux下c语言中的单向列表，双向链表，内核双向列表，及适用场景

news2024/9/22 5:36:38

1. 单向链表（Singly Linked List）

1.1 定义与结构
单向链表是链式存储结构中最简单的一种。它的每个节点包含两个部分：
- 数据域：存储数据元素
- 指针域：存储指向下一个节点的指针

在单向链表中，节点通过指针域相互链接，形成一个线性结构。链表的最后一个节点指向 `NULL`，表示链表的结束。

C 语言中单向链表的定义：

struct Node {
int data; // 数据域
struct Node *next; // 指针域，指向下一个节点
};

1.2 操作与实现

插入节点
插入节点通常有几种方式：
- 在链表头插入节点
- 在链表尾插入节点
- 在链表中的某个位置插入节点

在链表头插入节点的代码示例：

void insert_at_head(struct Node **head, int new_data) {
struct Node *new_node = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
new_node->data = new_data;
new_node->next = *head;
*head = new_node;
}

删除节点
删除节点同样可以根据位置（头节点、尾节点、中间节点）来进行操作。

删除指定值节点的代码示例：

void delete_node(struct Node **head, int key) {
struct Node *temp = *head, *prev;

if (temp != NULL && temp->data == key) {
*head = temp->next; // 如果头节点就是要删除的节点
free(temp);
return;
}

while (temp != NULL && temp->data != key) {
prev = temp;
temp = temp->next;
}

if (temp == NULL) return; // 如果没有找到该节点

prev->next = temp->next; // 解除该节点与链表的链接
free(temp);
}

遍历链表
遍历链表是通过一个临时指针从头到尾遍历所有节点。

遍历链表的代码示例：

void print_list(struct Node *node) {
while (node != NULL) {
printf("%d -> ", node->data);
node = node->next;
}
printf("NULL\n");
}

1.3 适用场景
单向链表适合用于需要频繁在表头插入或删除元素的场景，例如：
- 实现堆栈（栈顶元素可以快速插入和删除）
- 需要动态增加或删除元素且对内存要求敏感时

然而，由于单向链表只能向一个方向遍历，查找和插入某些特定位置的性能较差。

2. 双向链表（Doubly Linked List）

2.1 定义与结构
双向链表相比单向链表，增加了对每个节点前驱节点的引用。每个节点包含三个部分：
- 数据域：存储数据
- 前驱指针域：指向上一个节点
- 后继指针域：指向下一个节点

C 语言中双向链表的定义：

struct Node {
int data;
struct Node *prev; // 前驱指针
struct Node *next; // 后继指针
};

2.2 操作与实现
由于双向链表的节点有两个指针，操作和单向链表相比稍显复杂，但在链表的遍历、删除和插入操作中，灵活性更强。

插入节点
在链表头插入节点：

void insert_at_head(struct Node **head, int new_data) {
struct Node *new_node = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
new_node->data = new_data;
new_node->next = *head;
new_node->prev = NULL;

if (*head != NULL) {
(*head)->prev = new_node;
}

*head = new_node;
}

删除节点
删除指定节点：

void delete_node(struct Node **head, struct Node *del_node) {
if (*head == NULL || del_node == NULL) return;

if (*head == del_node) *head = del_node->next;

if (del_node->next != NULL) del_node->next->prev = del_node->prev;

if (del_node->prev != NULL) del_node->prev->next = del_node->next;

free(del_node);
}

遍历链表
双向链表可以从任意节点向前或向后遍历，提供了更灵活的遍历方式。

从头到尾遍历双向链表的代码：

void print_list(struct Node *node) {
struct Node *last;
printf("Traversal in forward direction: ");
while (node != NULL) {
printf("%d -> ", node->data);
last = node;
node = node->next;
}
printf("NULL\n");

printf("Traversal in reverse direction: ");
while (last != NULL) {
printf("%d -> ", last->data);
last = last->prev;
}
printf("NULL\n");
}

2.3 适用场景
双向链表特别适用于需要双向遍历的场景，例如：
- 实现双端队列（Deque）
- 实现导航系统，用户可以前后移动（如浏览器的前进/后退操作）

双向链表的缺点是每个节点需要额外的空间来存储 `prev` 指针，相比单向链表占用更多内存。

3. 内核双向链表（Linux Kernel Doubly Linked List）

3.1 定义与结构
在 Linux 内核中，双向链表的实现采用了高度模块化和通用化的设计。Linux 内核中的双向链表不会直接与数据绑定，而是通过一个独立的 `list_head` 结构体表示链表节点的指针。这使得链表可以灵活地嵌入任意数据结构中。

Linux 内核双向链表的定义：

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

每个节点的数据存储在包含 `list_head` 的外部数据结构中。

3.2 操作与实现
内核提供了一套高效的宏和函数来简化双向链表的操作。例如：
- *`INIT_LIST_HEAD(&head)`：初始化链表头节点。
- `list_add()` 和 `list_add_tail()`：在链表头或尾部插入节点。
- `list_del()`：删除节点。

插入节点示例

struct my_data {
int value;
struct list_head list;
};

struct list_head my_list;
INIT_LIST_HEAD(&my_list);

struct my_data data1 = { .value = 1 };
list_add(&data1.list, &my_list);

遍历节点示例
使用宏遍历链表中的每个节点：

struct my_data *entry;
list_for_each_entry(entry, &my_list, list) {
printk(KERN_INFO "Value: %d\n", entry->value);
}