【脚踢数据结构】内核链表

news2024/9/24 5:31:01

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内核链表（Kernel Linked List）是操作系统内核中常用的一种数据结构，用于管理和维护一系列数据元素（节点）。它也是一种线性数据结构，其中每个节点包含了数据元素本身以及指向下一个节点的指针。内核链表在操作系统中广泛应用于管理进程、文件描述符、内存分配等诸多场景。

一、内核链表概述

内核链表通常由一个特定的数据结构定义，该数据结构包含一个或多个指向链表中首个和最后一个节点的指针，以及其他用于操作和管理链表的属性。在C语言中，内核链表的定义示例：

//数据
typedef int Datatype;

//节点（大结构体）
typedef struct Kernel_node
{
	Datatype data;			//数据域
	struct kernel_list list;	//指针域
}k_node;

//指针节点（小结构体）
struct kernel_list {
    struct kernel_list *prev;//前驱指针
    struct kernel_list *next;//后继指针
};

kernel_list结构体定义了一个内核链表的节点，其中prev指向前一个节点，next指向下一个节点，这一点在某种意义上与常规的双向循环链表一致，但是还是有区别的。我们再来看看之前所学习的双向循环链表的节点定义：

//数据
typedef int Datatype;

//节点
typedef struct Node
{
	DataType data;		//数据域
	struct Node *prev;	//指针域：前驱指针
	struct Node *next;	//指针域：后继指针
}node;

这样一对比，就会发现常规链表与内核链表最大的区别就是嵌套，内核链表的节点结构通常嵌套在某个容器数据结构中，可以理解为能单独对指针域进行操作，而不影响数据。

所以这也暴露了常规链表的缺陷：

（1）每一种应用中，节点都是特殊的，导致每一条链表都是特殊的，因此每一种链表的增删查改这些算法也都是特殊的；

（2）当一个节点处于变化的数据结构网络中的时候，节点指针无法指向稳定不变的节点。

这样的描述或许不能让你有直观的感觉，但当你往下看，真正去理解了内核链表再回过头来，你就会豁然开朗。

二、内核链表的原理

内核链表的节点结构通常嵌套在某个容器数据结构中，以实现紧密关联。节点结构中至少包含两个指针，一个指向前一个节点，一个指向后一个节点。这样的设计使得在链表中插入、删除节点的操作更加高效，无需像数组那样移动大量元素。我们可以这样理解：

（1）将链表的结构抽象出来，去除节点中的具体数据，只保留逻辑的双向指针，形成一条只包含逻辑的“纯粹的链表”。

（2）将链表“寄宿”于具体的数据节点之中，使他贯穿这些节点，可以借助一定的方式通过“纯粹链表“的指针域得到数据节点。

内核链表做到了将数据和逻辑（指针）分开，在红色方框内的这样只有前后两指针的链表形式被称为Linux标准双向循环链表。

三、内核链表的操作

在学习内核链表的操作之前，我们先要来了解一下list.h文件。list.h 是一个常见的头文件，通常用于实现内核链表（双向链表）的相关功能。在 Linux 内核中，list.h 提供了一种高效的方式来操作链表，包括插入、删除、遍历等操作。完整的该文件可从网上各处找到，接下来我们将只举例用到的结构体。

1. 节点声明

//数据
typedef int Datatype;

//链表节点（大结构体）
typedef struct Kernel_node
{
	Datatype data;			//数据域
	struct list_head list;	//指针域
}k_node;

list_head 是在list.h中已经定义好的指针域部分，我们可以将其称之为小结构体，用它来构建“纯粹链表”。


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

2.初始化链表

//初始化链表
k_node *init_kernel_list()
{
	k_node *head = malloc(sizeof(k_node));
	if (head==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(0);
	}
	else
	{		
		INIT_LIST_HEAD(&(head->list));//带参宏，初始化小结构体里面的这两个指针成员

	}
	return head;
}

INIT_LIST_HEAD也是list.h中已经定义好的带参宏，原型如下：

#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \
	(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \
} while (0)

3.创建节点

//创建节点
k_node *create_kernel_node(Datatype data)
{
	k_node *new = malloc(sizeof(k_node));
	if (new != NULL)
	{
		new->data = data;
		new->list.next = NULL;
		new->list.prev = NULL;
	}
	return new;
}

4.遍历链表


//遍历链表
void display(k_node *head)
{
	struct list_head *pos = NULL;
	k_node *Node = NULL;
	list_for_each(pos, &(head->list))
	{
		Node = list_entry(pos, k_node, list);
		printf("%d ", Node->data);
	}
	printf("\n");
}

其中list_for_each和list_entry也是在list.h中定义好的带参宏：


//遍历链表的for循环，每一次循环体内得到的就是一个小结构体指针
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); \
pos = pos->next)


//小结构体指针ptr，大结构体类型type，小结构体在大结构体内部的成员名
#define list_entry(ptr, type, member) \
((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)->member)))

做完这些操作，我们就可以通过一个实例来验证我们的操作是否正确，我们可以创建一个10个节点的链表并打印。

实例代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include "list.h"

//数据
typedef int Datatype;

//链表节点
typedef struct Kernel_node
{
	Datatype data;			//数据域
	struct list_head list;	//指针域
}k_node;

//初始化链表
k_node *init_kernel_list()
{
	k_node *head = malloc(sizeof(k_node));
	if (head==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(0);
	}
	else
	{
		INIT_LIST_HEAD(&(head->list));
	}
	return head;
}

//创建节点
k_node *create_kernel_node(Datatype data)
{
	k_node *new = malloc(sizeof(k_node));
	if (new != NULL)
	{
		new->data = data;
		new->list.next = NULL;
		new->list.prev = NULL;
	}
	return new;
}

//遍历链表
void display(k_node *head)
{
	struct list_head *pos = NULL;
	k_node *Node = NULL;
	list_for_each(pos, &(head->list))
	{
		Node = list_entry(pos, k_node, list);
		printf("%d ", Node->data);
	}
	printf("\n");
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
	k_node *head = init_kernel_list();
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		k_node *new = create_kernel_node(i+1);

		//插入节点到链表
		list_add_tail(&(new->list), &(head->list));
	}

	//遍历链表
	display(head);

	return 0;
}

（未完待续...）