Linux의 범용 양방향 순환 연결 리스트 구현 원리 및 관련 기술에 대한 심도 있는 논의

임베디드 리눅스에서 양방향 순환 연결 리스트는 매우 중요한 데이터 구조입니다. 커널 모듈, 드라이버, 네트워크 프로토콜 스택 등과 같은 다양한 시나리오에서 널리 사용됩니다. 이번 글에서는 리눅스의 일반적인 양방향 순환 연결 리스트의 구현 원리와 관련 기술을 살펴보겠습니다.

으아아아

링크드 리스트의 요소 구조입니다. 순환 연결 리스트이기 때문에 리스트의 헤더와 노드 모두 이런 구조를 가지고 있습니다. 연결된 리스트의 이전 노드와 다음 노드를 각각 가리키는 prev와 next라는 두 개의 포인터가 있습니다.

아아아아

초기화 중에 연결된 목록 헤더의 이전 및 다음은 자신을 가리킵니다.

아아아아

몇 가지 예외를 제외하고 양방향 순환 연결 목록의 구현은 기본적으로 공개 방식으로 처리될 수 있습니다. 첫 번째 노드를 추가하든 다른 노드를 추가하든 여기서 사용되는 방법은 동일합니다.
또한 연결된 목록 API의 구현은 대략 두 개의 레이어로 나뉩니다. list_add, list_add_tail과 같은 외부 레이어는 일부 예외를 제거하고 내부 레이어를 호출하는 데 사용되며 함수 이름 앞에 이중 밑줄이 추가됩니다. _ _list_add와 같은 _list_add는 종종 여러 작업의 공통 부분이거나 예외를 제외한 후 구현입니다.

아아아아

list_del은 연결리스트의 노드를 삭제하는 것입니다. __list_del을 호출한 후 삭제된 요소의 다음 및 이전 요소를 특수 LIST_POSITION1 및 LIST_POSITION2로 가리키는 이유는 정의되지 않은 포인터를 디버깅하기 위한 것입니다.
list_del_init는 노드를 삭제한 후 해당 노드의 포인터를 다시 초기화하는 방법입니다.

아아아아

list_replace는 연결리스트의 기존 노드를 다른 노드로 교체하는 것입니다. 구현 관점에서 보면 old가 위치한 연결 목록에 old 노드가 하나만 있어도 new가 이를 성공적으로 대체할 수 있다는 것이 양방향 순환 연결 목록의 끔찍한 보편성입니다.
list_replace_init는 이전 항목을 대체한 다음 다시 초기화합니다.

아아아아

list_move의 기능은 원래 연결 목록에서 목록 노드를 제거하고 새 연결 목록 헤드에 추가하는 것입니다.
list_move_tail은 새 연결 목록을 추가할 때 list_move와 다릅니다. list_move는 연결 목록의 head 뒤의 머리에 추가되고 list_move_tail은 머리 앞의 연결 목록의 꼬리에 추가됩니다.

아아아아

list_is_last는 목록이 헤드 목록의 끝에 있는지 여부를 결정합니다.

아아아아

list_empty는 헤드 연결 리스트가 비어 있는지 여부를 결정합니다. 비어 있음은 연결 리스트 헤드가 하나만 있다는 것을 의미합니다.
list_empty_careful은 헤드 연결 리스트가 비어 있는지 여부도 결정하지만 검사가 더 엄격합니다.

/**
 * list_is_singular - tests whether a list has just one entry.
 * @head: the list to test.
 */
static inline int list_is_singular(const struct list_head *head)
{
    return !list_empty(head) && (head->next == head->prev);
}

list_is_singular 判断head中是否只有一个节点，即除链表头head外只有一个节点。

static inline void __list_cut_position(struct list_head *list,
        struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
    struct list_head *new_first = entry->next;
    list->next = head->next;
    list->next->prev = list;
    list->prev = entry;
    entry->next = list;
    head->next = new_first;
    new_first->prev = head;
}

/**
 * list_cut_position - cut a list into two
 * @list: a new list to add all removed entries
 * @head: a list with entries
 * @entry: an entry within head, could be the head itself
 *    and if so we won't cut the list
 *
 * This helper moves the initial part of @head, up to and
 * including @entry, from @head to @list. You should
 * pass on @entry an element you know is on @head. @list
 * should be an empty list or a list you do not care about
 * losing its data.
 *
 */
static inline void list_cut_position(struct list_head *list,
        struct list_head *head, struct list_head *entry)
{
    if (list_empty(head))
        return;
    if (list_is_singular(head) &&
        (head->next != entry && head != entry))
        return;
    if (entry == head)
        INIT_LIST_HEAD(list);
    else
        __list_cut_position(list, head, entry);
}

list_cut_position 用于把head链表分为两个部分。从head->next一直到entry被从head链表中删除，加入新的链表list。新链表list应该是空的，或者原来的节点都可以被忽略掉。可以看到，list_cut_position中排除了一些意外情况，保证调用__list_cut_position时至少有一个元素会被加入新链表。

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

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

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

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

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

list_splice的功能和list_cut_position正相反，它合并两个链表。list_splice把list链表中的节点加入head链表中。在实际操作之前，要先判断list链表是否为空。它保证调用__list_splice时list链表中至少有一个节点可以被合并到head链表中。
list_splice_tail只是在合并链表时插入的位置不同。list_splice是把原来list链表中的节点全加到head链表的头部，而list_splice_tail则是把原来list链表中的节点全加到head链表的尾部。

/**
 * list_splice_init - join two lists and reinitialise the emptied list.
 * @list: the new list to add.
 * @head: the place to add it in the first list.
 *
 * The list at @list is reinitialised
 */
static inline void list_splice_init(struct list_head *list,
                    struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list)) {
        __list_splice(list, head, head->next);
        INIT_LIST_HEAD(list);
    }
}

/**
 * list_splice_tail_init - join two lists and reinitialise the emptied list
 * @list: the new list to add.
 * @head: the place to add it in the first list.
 *
 * Each of the lists is a queue.
 * The list at @list is reinitialised
 */
static inline void list_splice_tail_init(struct list_head *list,
                     struct list_head *head)
{
    if (!list_empty(list)) {
        __list_splice(list, head->prev, head);
        INIT_LIST_HEAD(list);
    }
}

list_splice_init 除了完成list_splice的功能，还把变空了的list链表头重新初始化。
list_splice_tail_init 除了完成list_splice_tail的功能，还吧变空了得list链表头重新初始化。
list操作的API大致如以上所列，包括链表节点添加与删除、节点从一个链表转移到另一个链表、链表中一个节点被替换为另一个节点、链表的合并与拆分、查看链表当前是否为空或者只有一个节点。
接下来，是操作链表遍历时的一些宏，我们也简单介绍一下。

/**
 * 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)

list_entry主要用于从list节点查找其内嵌在的结构。比如定义一个结构struct A{ struct list_head list; }; 如果知道结构中链表的地址ptrList，就可以从ptrList进而获取整个结构的地址(即整个结构的指针) struct A *ptrA = list_entry(ptrList, struct A, list);
这种地址翻译的技巧是linux的拿手好戏，container_of随处可见，只是链表节点多被封装在更复杂的结构中，使用专门的list_entry定义也是为了使用方便

/**
 * list_first_entry - get the first element from a list
 * @ptr:    the list head to take the element from.
 * @type:    the type of the struct this is embedded in.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Note, that list is expected to be not empty.
 */
#define list_first_entry(ptr, type, member) \
    list_entry((ptr)->next, type, member)

list_first_entry是将ptr看完一个链表的链表头，取出其中第一个节点对应的结构地址。使用list_first_entry是应保证链表中至少有一个节点。

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

list_for_each循环遍历链表中的每个节点，从链表头部的第一个节点，一直到链表尾部。中间的prefetch是为了利用平台特性加速链表遍历，在某些平台下定义为空，可以忽略。

/**
 * __list_for_each    -    iterate over a list
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 *
 * This variant differs from list_for_each() in that it's the
 * simplest possible list iteration code, no prefetching is done.
 * Use this for code that knows the list to be very short (empty
 * or 1 entry) most of the time.
 */
#define __list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

__list_for_each与list_for_each没什么不同，只是少了prefetch的内容，实现上更为简单易懂。

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

list_for_each_prev与list_for_each的遍历顺序相反，从链表尾逆向遍历到链表头。

/**
 * list_for_each_safe - iterate over a list safe against removal of list entry
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @n:        another &struct list_head to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 */
#define list_for_each_safe(pos, n, head) \
    for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
        pos = n, n = pos->next)

list_for_each_safe 也是链表顺序遍历，只是更加安全。即使在遍历过程中，当前节点从链表中删除，也不会影响链表的遍历。参数上需要加一个暂存的链表节点指针n。

/**
 * list_for_each_prev_safe - iterate over a list backwards safe against removal of list entry
 * @pos:    the &struct list_head to use as a loop cursor.
 * @n:        another &struct list_head to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 */
#define list_for_each_prev_safe(pos, n, head) \
    for (pos = (head)->prev, n = pos->prev; \
         prefetch(pos->prev), pos != (head); \
         pos = n, n = pos->prev)

list_for_each_prev_safe 与list_for_each_prev同样是链表逆序遍历，只是加了链表节点删除保护。

/**
 * list_for_each_entry    -    iterate over list of given type
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry(pos, head, member)                \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);    \
         prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);     \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry不是遍历链表节点，而是遍历链表节点所嵌套进的结构。这个实现上较为复杂，但可以等价于list_for_each加上list_entry的组合。

/**
 * list_for_each_entry_reverse - iterate backwards over list of given type.
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry_reverse(pos, head, member)            \
    for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member);    \
         prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head);     \
         pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_reverse 是逆序遍历链表节点所嵌套进的结构，等价于list_for_each_prev加上list_etnry的组合。

/**
 * list_for_each_entry_continue - continue iteration over list of given type
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Continue to iterate over list of given type, continuing after
 * the current position.
 */
#define list_for_each_entry_continue(pos, head, member)         \
    for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);    \
         prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);    \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_continue也是遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表头开始，而是从结构指针的下一个结构开始，一直到链表尾部。

/**
 * list_for_each_entry_continue_reverse - iterate backwards from the given point
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Start to iterate over list of given type backwards, continuing after
 * the current position.
 */
#define list_for_each_entry_continue_reverse(pos, head, member)        \
    for (pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member);    \
         prefetch(pos->member.prev), &pos->member != (head);    \
         pos = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_continue_reverse 是逆序遍历链表上的节点嵌套的结构。只是并非从链表尾开始，而是从结构指针的前一个结构开始，一直到链表头部。

/**
 * list_for_each_entry_from - iterate over list of given type from the current point
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Iterate over list of given type, continuing from current position.
 */
#define list_for_each_entry_from(pos, head, member)             \
    for (; prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head);    \
         pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))

list_for_each_entry_from 是从当前结构指针pos开始，顺序遍历链表上的结构指针。

/**
 * list_for_each_entry_safe - iterate over list of given type safe against removal of list entry
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @n:        another type * to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)            \
    for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member),    \
        n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);    \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe 也是顺序遍历链表上节点嵌套的结构。只是加了删除节点的保护。

/**
 * list_for_each_entry_safe_continue - continue list iteration safe against removal
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @n:        another type * to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Iterate over list of given type, continuing after current point,
 * safe against removal of list entry.
 */
#define list_for_each_entry_safe_continue(pos, n, head, member)         \
    for (pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member),         \
        n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);        \
         &pos->member != (head);                        \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_continue 是从pos的下一个结构指针开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。

/**
 * list_for_each_entry_safe_from - iterate over list from current point safe against removal
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @n:        another type * to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Iterate over list of given type from current point, safe against
 * removal of list entry.
 */
#define list_for_each_entry_safe_from(pos, n, head, member)             \
    for (n = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member);        \
         &pos->member != (head);                        \
         pos = n, n = list_entry(n->member.next, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_from 是从pos开始，顺序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。

/**
 * list_for_each_entry_safe_reverse - iterate backwards over list safe against removal
 * @pos:    the type * to use as a loop cursor.
 * @n:        another type * to use as temporary storage
 * @head:    the head for your list.
 * @member:    the name of the list_struct within the struct.
 *
 * Iterate backwards over list of given type, safe against removal
 * of list entry.
 */
#define list_for_each_entry_safe_reverse(pos, n, head, member)        \
    for (pos = list_entry((head)->prev, typeof(*pos), member),    \
        n = list_entry(pos->member.prev, typeof(*pos), member);    \
         &pos->member != (head);                     \
         pos = n, n = list_entry(n->member.prev, typeof(*n), member))

list_for_each_entry_safe_reverse 是从pos的前一个结构指针开始，逆序遍历链表上的结构指针，同时加了节点删除保护。
至此为止，我们介绍了linux中双向循环链表的结构、所有的操作函数和遍历宏定义。相信以后在linux代码中遇到链表的使用，不会再陌生。

总之，双向循环链表是嵌入式Linux中不可或缺的一部分。它们被广泛应用于各种场景，如内核模块、驱动程序、网络协议栈等。希望本文能够帮助读者更好地理解Linux通用的双向循环链表的实现原理和相关技术。

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