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C语言面向对象编程

1.内核通用链表

一、什么是 list_head

list_head 是 Linux 内核中自己实现的一种 双向循环链表 的结构,定义在 <linux/list.h> 中。它设计得非常轻巧、灵活,广泛用于内核模块、驱动、进程调度、网络协议栈等。

它的关键思想是:

将链表结构嵌入到你的数据结构中,从而实现通用链表操作。


 二、结构定义
struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};

每一个 list_head 实际就是两个指针:指向下一个节点和上一个节点。


 三、如何使用

假设你有一个自定义结构体:

struct student {char name[20];int age;struct list_head list;  // 嵌入 list_head
};

这样,每个 student 节点就能通过 list 成员串联成一个链表。


四、常用操作宏(定义在 list.h)
宏 / 函数作用
LIST_HEAD(name)定义并初始化链表头
INIT_LIST_HEAD(ptr)初始化某个节点(通常用于结构体内嵌)
list_add(new, head)添加到链表头部
list_add_tail(new, head)添加到链表尾部
list_del(entry)删除节点
list_empty(head)判断链表是否为空
list_for_each(pos, head)遍历链表(不获取结构体)
list_for_each_entry(ptr, head, member)遍历链表(获取结构体指针)
list_for_each_entry_safe(...)安全遍历(可删除)


五、链表是循环的

链表头的 next 指向第一个节点,prev 指向最后一个节点;尾节点的 next 又指向头部。这是一种 循环双向链表

七、完整例子

不依赖内核的用户态实现(适合你直接编译)

用户空间简化版 list.h

先把这段保存为 list.h

#ifndef _USER_LIST_H
#define _USER_LIST_H#include <stddef.h>struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};#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;
}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;
}static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head, head->next);
}static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head->prev, head);
}static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{next->prev = prev;prev->next = next;
}static inline void list_del(struct list_head *entry)
{__list_del(entry->prev, entry->next);entry->next = entry->prev = NULL;
}static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{return head->next == head;
}#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)#define container_of(ptr, type, member) ({                      \const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);        \(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );})#define list_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)#define list_for_each(pos, head) \for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)#define list_for_each_entry(pos, head, member)                          \for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);         \&pos->member != (head);                                       \pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))#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))#endif
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "list.h"struct student {char name[20];int age;struct list_head list;
};LIST_HEAD(student_list);void add_student(const char *name, int age) {struct student *stu = malloc(sizeof(*stu));strcpy(stu->name, name);stu->age = age;INIT_LIST_HEAD(&stu->list);list_add_tail(&stu->list, &student_list);
}void show_students() {struct student *stu;list_for_each_entry(stu, &student_list, list) {printf("Name: %s, Age: %d\n", stu->name, stu->age);}
}void cleanup() {struct student *stu, *tmp;list_for_each_entry_safe(stu, tmp, &student_list, list) {list_del(&stu->list);free(stu);}
}int main() {add_student("Tom", 18);add_student("Jerry", 19);add_student("Alice", 20);printf("Student list:\n");show_students();cleanup();return 0;
}
特性优势
通用性可嵌入任何结构体,实现任意链表类型。
内核标准几乎所有内核链表都是用它做的
特性list_head(内核链表)普通链表(如学生手写的)
 支持双向链表默认支持需自己实现
节点结构通用通用结构体嵌入每种链表都得重新设计
插入/删除效率高O(1),不需要额外判断需特判头/尾/空链表等情况
安全性高通过宏屏蔽指针错误易出现野指针、空指针
支持遍历宏list_for_each 等宏方便遍历手写 while (node) 不易维护
支持从节点找回宿主结构体container_of() 宏可找回宿主结构体需要自己手动维护映射关系
易于模块化封装一套链表机制通用于所有模块每个模块都得造轮子

1. 通用性:

  • 你可以把 list_head 内嵌到任何结构体中,只要结构体里有 struct list_head 成员,就能挂进链表。

  • 所以它特别适合模块化/插件化开发,广泛用于内核、驱动、队列系统等。


2. 性能:

  • 插入和删除操作 不需要遍历链表,也不需要特判头尾节点,始终是 O(1)

  • 它用的是双向循环链表结构(不是 NULL 结尾,而是指向自身),这让很多操作逻辑更简洁。


3. 安全性:

  • 它会自动维护前后指针,避免你手动操作 next/prev 出错。

  • Linux 内核中还引入了调试辅助机制,能检测非法访问、双重删除等行为。


4. 反向查找能力:

  • 通过 list_entry()container_of() 宏,可以轻松从 list_head 节点获取其宿主结构体的地址,实现灵活的对象管理。


 普通链表存在的问题

  • 每次写都要重新定义结构体。

  • 插入/删除时容易出现各种 bug。

  • 遍历复杂,容易出现内存泄漏或悬挂指针。

  • 不支持从节点反查宿主结构体,缺乏灵活性。

  • 没法通用于多个模块,需要复制粘贴逻辑。

list_head 是一个“通用、可嵌入、性能高、安全”的链表实现,它解决的不是“如何实现链表”,而是“如何设计一套所有模块都能复用、零成本维护的链表管理机制”。

你可以把它理解为 链表机制中的“操作系统级标准库”,比自己写一个链表强得多。

为什么要用用户空间简化版不依赖内核的用户态实现?

1. 用户态无需加载内核模块,更安全方便

  • 在用户态编写和运行程序不需要 root 权限,也不涉及内核模块的编译、加载、卸载。

  • 避免由于错误操作导致内核崩溃(例如 oops、panic)。

2. 无需依赖 Linux 内核头文件

  • 内核中的 list_head 定义在 <linux/list.h>,不能直接在用户空间中使用,因为它依赖于很多内核结构(如 container_ofprefetch、内存屏障等)。

  • 简化版中只保留核心逻辑,移除内核复杂依赖,更适合教学和用户态程序调试。

3. 易于学习和调试

  • 用户态程序可以用 gdbprintf 等方式方便地调试,学习 list_head 的插入、删除、遍历操作。

  • 可以专注理解链表逻辑,而不必关心底层硬件资源或内核调度等复杂因素。

4. 跨平台兼容性更好

  • 简化版不依赖内核,在不同平台和系统(如 macOS、Windows 下的 WSL)中也能运行和调试。

5. 利于单元测试或快速原型

  • 在开发内核模块之前,可以在用户空间用简化版 list_head 提前验证算法逻辑。

用户空间简化版特点:

  • 和内核的一样,提供双向循环链表的基本结构。

  • list_addlist_dellist_for_each 等函数模拟内核链表操作。

  • 通常会配套实现一个 container_of 宏,简化结构体成员查找。

http://www.dtcms.com/a/292802.html

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