概要
本文對雙向鏈表進行探討，介紹的內容是Linux內核中雙向鏈表的經典實現和用法。其中，也會涉及到Linux內核中非常常用的兩個經典宏定義offsetof和container_of。內容包括：
1.Linux中的兩個經典宏定義
2.Linux中雙向鏈表的經典實現
Linux中的兩個經典宏定義
倘若你查看過Linux Kernel的源碼，那麼你對 offsetof 和 container_of 這兩個宏應該不陌生。這兩個宏最初是極客寫出的，後來在Linux內核中被推廣使用。
1.offsetof
1.1 offsetof介紹
定義：offsetof在linux內核的include/linux/stddef.h中定義。
1 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
說明：獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
(01) ( (TYPE *)0 ) 將零轉型爲TYPE類型指針，即TYPE類型的指針的地址是0。
(02) ((TYPE *)0)->MEMBER 訪問結構中的數據成員。
(03) &( ( (TYPE )0 )->MEMBER ) 取出數據成員的地址。由於TYPE的地址是0，這裏獲取到的地址就是相對MEMBER在TYPE中的偏移。 (04) (size_t)(&(((TYPE)0)->MEMBER)) 結果轉換類型。對於32位系統而言，size_t是unsigned int類型；對於64位系統而言，size_t是unsigned long類型。
1.2 offsetof示例
代碼(offset_test.c):
1 #include <stdio.h>
2 // 獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
3 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
4 struct student
5 {
6 char gender;
7 int id;
8 int age;
9 char name[20];
10 };
11
12 void main()
13 {
14 int gender_offset, id_offset, age_offset, name_offset;
15 gender_offset = offsetof(struct student, gender);
16 id_offset = offsetof(struct student, id);
17 age_offset = offsetof(struct student, age);
18 name_offset = offsetof(struct student, name);
19 printf("gender_offset = %d\n", gender_offset);
20 printf("id_offset = %d\n", id_offset);
21 printf("age_offset = %d\n", age_offset);
22 printf("name_offset = %d\n", name_offset);
23 }
結果：
1 gender_offset = 0
2 id_offset = 4
3 age_offset = 8
4 name_offset = 12
說明：簡單說說"爲什麼id的偏移值是4，而不是1"。我的運行環境是linux系統，32位的x86架構。這就意味着cpu的數據總線寬度爲32，每次能夠讀取4字節數據。gcc對代碼進行處理的時候，是按照4字節對齊的。所以，即使gender是char(一個字節)類型，但是它仍然是4字節對齊的！
1.3 offsetof圖解
TYPE是結構體，它代表"整體"；而MEMBER是成員，它是整體中的某一部分。
將offsetof看作一個數學問題來看待，問題就相當簡單了：已知'整體'和該整體中'某一個部分'，而計算該部分在整體中的偏移
2.container_of
2.1 container_of介紹
定義：container_of在linux內核的include/linux/kernel.h中定義。
1 #define container_of(ptr, type, member) ({ \
2 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
3 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
說明：根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針。
(01) typeof( ( (type *)0)->member ) 取出member成員的變量類型。
(02) const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr) 定義變量__mptr指針，並將ptr賦值給__mptr。經過這一步，__mptr爲member數據類型的常量指針，其指向ptr所指向的地址。
(04) (char *)__mptr 將__mptr轉換爲字節型指針。
(05) offsetof(type,member)) 就是獲取"member成員"在"結構體type"中的位置偏移。
(06) (char *)__mptr - offsetof(type,member)) 就是用來獲取"結構體type"的指針的起始地址（爲char *型指針）。
(07) (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) ) 就是將"char *類型的結構體type的指針"轉換爲"type *類型的結構體type的指針"。
2.2 container_of示例
代碼(container_test.c):
1 #include <stdio.h>
2 #include <string.h>
3 // 獲得結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
4 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
5 // 根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針
6 #define container_of(ptr, type, member) ({ \
7 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
8 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
9 struct student
10 {
11 char gender;
12 int id;
13 int age;
14 char name[20];
15 };
16
17 void main()
18 {
19 struct student stu;
20 struct student *pstu;
21 stu.gender = '1';
22 stu.id = 9527;
23 stu.age = 24;
24 strcpy(stu.name, "zhouxingxing");
25 // 根據"id地址" 獲取 "結構體的地址"。
26 pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);
27 // 根據獲取到的結構體student的地址，訪問其它成員
28 printf("gender= %c\n", pstu->gender);
29 printf("age= %d\n", pstu->age);
30 printf("name= %s\n", pstu->name);
31 }
結果：
1 gender= 1
2 age= 24
3 name= zhouxingxing
2.3 container_of圖解
type是結構體，它代表"整體"；而member是成員，它是整體中的某一部分，而且member的地址是已知的。
將offsetof看作一個數學問題來看待，問題就相當簡單了：已知'整體'和該整體中'某一個部分'，要根據該部分的地址，計算出整體的地址。
Linux中雙向鏈表的經典實現
1.Linux中雙向鏈表介紹
Linux雙向鏈表的定義主要涉及到兩個文件：
include/linux/types.h
include/linux/list.h
Linux中雙向鏈表的使用思想
它是將雙向鏈表節點嵌套在其它的結構體中；在遍歷鏈表的時候，根據雙鏈表節點的指針獲取"它所在結構體的指針"，從而再獲取數據。
我舉個例子來說明，可能比較容易理解。假設存在一個社區中有很多人，每個人都有姓名和年齡。通過雙向鏈表將人進行關聯的模型圖如下：
person代表人，它有name和age屬性。爲了通過雙向鏈表對person進行鏈接，我們在person中添加了list_head屬性。通過list_head，我們就將person關聯起來了。
1 struct person
2 {
3 int age;
4 char name[20];
5 struct list_head list;
6 };
2.Linux中雙向鏈表的源碼分析
(01). 節點定義
1 struct list_head {
2 struct list_head *next, *prev;
3 };
雖然名稱list_head，但是它既是雙向鏈表的表頭，也代表雙向鏈表的節點。
(02). 初始化節點
1 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
2 #define LIST_HEAD(name) \
3 struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
4 static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
5 {
6 list->next = list;
7 list->prev = list;
8 }
LIST_HEAD的作用是定義表頭(節點)：新建雙向鏈表表頭name，並設置name的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
LIST_HEAD_INIT的作用是初始化節點：設置name節點的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
INIT_LIST_HEAD和LIST_HEAD_INIT一樣，是初始化節點：將list節點的前繼節點和後繼節點都是指向list本身。
(03). 添加節點
1 static inline void __list_add(struct list_head *new,
2 struct list_head *prev,
3 struct list_head *next)
4 {
5 next->prev = new;
6 new->next = next;
7 new->prev = prev;
8 prev->next = new;
9 }
10
11 static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
12 {
13 __list_add(new, head, head->next);
14 }
15
16 static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
17 {
18 __list_add(new, head->prev, head);
19 }
list_add(new, prev, next)的作用是添加節點：將new插入到prev和next之間。在linux中，以""開頭的函數意味着是內核的內部接口，外部不應該調用該接口。
list_add(new, head)的作用是添加new節點：將new添加到head之後，是new稱爲head的後繼節點。
list_add_tail(new, head)的作用是添加new節點：將new添加到head之前，即將new添加到雙鏈表的末尾。
(04). 刪除節點
1 static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
2 {
3 next->prev = prev;
4 prev->next = next;
5 }
6
7 static inline void list_del(struct list_head *entry)
8 {
9 __list_del(entry->prev, entry->next);
10 }
11
12 static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
13 {
14 __list_del(entry->prev, entry->next);
15 }
16
17 static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
18 {
19 __list_del_entry(entry);
20 INIT_LIST_HEAD(entry);
21 }
__list_del(prev, next) 和__list_del_entry(entry)都是linux內核的內部接口。
__list_del(prev, next) 的作用是從雙鏈表中刪除prev和next之間的節點。
__list_del_entry(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點。
list_del(entry) 和 list_del_init(entry)是linux內核的對外接口。
list_del(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點。
list_del_init(entry) 的作用是從雙鏈表中刪除entry節點，並將entry節點的前繼節點和後繼節點都指向entry本身。
(05). 替換節點
1 static inline void list_replace(struct list_head *old,
2 struct list_head *new)
3 {
4 new->next = old->next;
5 new->next->prev = new;
6 new->prev = old->prev;
7 new->prev->next = new;
8 }
list_replace(old, new)的作用是用new節點替換old節點。
(06). 判斷雙鏈表是否爲空
1 static inline int list_empty(const struct list_head *head)
2 {
3 return head->next == head;
4 }
list_empty(head)的作用是判斷雙鏈表是否爲空。它是通過區分"表頭的後繼節點"是不是"表頭本身"來進行判斷的。
(07). 獲取節點
1 #define list_entry(ptr, type, member) \
2 container_of(ptr, type, member)
list_entry(ptr, type, member) 實際上是調用的container_of宏。
它的作用是：根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針。
(08). 遍歷節點
1 #define list_for_each(pos, head) \
2 for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
3
4 #define list_for_each_safe(pos, n, head) \
5 for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
6 pos = n, n = pos->next)
list_for_each(pos, head)和list_for_each_safe(pos, n, head)的作用都是遍歷鏈表。但是它們的用途不一樣！
list_for_each(pos, head)通常用於獲取節點，而不能用到刪除節點的場景。
list_for_each_safe(pos, n, head)通常刪除節點的場景。
3.Linux中雙向鏈表的使用示例
雙向鏈表代碼(list.h):
1 #ifndef _LIST_HEAD_H
2 #define _LIST_HEAD_H
3 // 雙向鏈表節點
4 struct list_head {
5 struct list_head *next, *prev;
6 };
7
8 // 初始化節點：設置name節點的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
9 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
10 // 定義表頭(節點)：新建雙向鏈表表頭name，並設置name的前繼節點和後繼節點都是指向name本身。
11 #define LIST_HEAD(name) \
12 struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
13 // 初始化節點：將list節點的前繼節點和後繼節點都是指向list本身。
14 static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
15 {
16 list->next = list;
17 list->prev = list;
18 }
19
20 // 添加節點：將new插入到prev和next之間。
21 static inline void __list_add(struct list_head *new,
22 struct list_head *prev,
23 struct list_head *next)
24 {
25 next->prev = new;
26 new->next = next;
27 new->prev = prev;
28 prev->next = new;
29 }
30
31 // 添加new節點：將new添加到head之後，是new稱爲head的後繼節點。
32 static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
33 {
34 __list_add(new, head, head->next);
35 }
36
37 // 添加new節點：將new添加到head之前，即將new添加到雙鏈表的末尾。
38 static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
39 {
40 __list_add(new, head->prev, head);
41 }
42
43 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
44 static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
45 {
46 next->prev = prev;
47 prev->next = next;
48 }
49
50 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
51 static inline void list_del(struct list_head *entry)
52 {
53 __list_del(entry->prev, entry->next);
54 }
55
56 // 從雙鏈表中刪除entry節點。
57 static inline void __list_del_entry(struct list_head *entry)
58 {
59 __list_del(entry->prev, entry->next);
60 }
61
62 // 從雙鏈表中刪除entry節點，並將entry節點的前繼節點和後繼節點都指向entry本身。
63 static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
64 {
65 __list_del_entry(entry);
66 INIT_LIST_HEAD(entry);
67 }
68
69 // 用new節點取代old節點
70 static inline void list_replace(struct list_head *old,
71 struct list_head *new)
72 {
73 new->next = old->next;
74 new->next->prev = new;
75 new->prev = old->prev;
76 new->prev->next = new;
77 }
78
79 // 雙鏈表是否爲空
80 static inline int list_empty(const struct list_head *head)
81 {
82 return head->next == head;
83 }
84 // 獲取"MEMBER成員"在"結構體TYPE"中的位置偏移
85 #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
86 // 根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針
87 #define container_of(ptr, type, member) ({ \
88 const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
89 (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
90 // 遍歷雙向鏈表
91 #define list_for_each(pos, head) \
92 for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
93 #define list_for_each_safe(pos, n, head) \
94 for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
95 pos = n, n = pos->next)
96 #define list_entry(ptr, type, member) \
97 container_of(ptr, type, member)
98 #endif
雙向鏈表測試代碼(test.c):
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include "list.h"
5 struct person
6 {
7 int age;
8 char name[20];
9 struct list_head list;
10 };
11
12 void main(int argc, char* argv[])
13 {
14 struct person *pperson;
15 struct person person_head;
16 struct list_head *pos, *next;
17 int i;
18 // 初始化雙鏈表的表頭
19 INIT_LIST_HEAD(&person_head.list);
20 // 添加節點
21 for (i=0; i<5; i++)
22 {
23 pperson = (struct person*)malloc(sizeof(struct person));
24 pperson->age = (i+1)*10;
25 sprintf(pperson->name, "%d", i+1);
26 // 將節點鏈接到鏈表的末尾
27 // 如果想把節點鏈接到鏈表的表頭後面，則使用 list_add
28 list_add_tail(&(pperson->list), &(person_head.list));
29 }
30
31 // 遍歷鏈表
32 printf("==== 1st iterator d-link ====\n");
33 list_for_each(pos, &person_head.list)
34 {
35 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
36 printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age);
37 }
38
39 // 刪除節點age爲20的節點
40 printf("==== delete node(age:20) ====\n");
41 list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
42 {
43 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
44 if(pperson->age == 20)
45 {
46 list_del_init(pos);
47 free(pperson);
48 }
49 }
50
51 // 再次遍歷鏈表
52 printf("==== 2nd iterator d-link ====\n");
53 list_for_each(pos, &person_head.list)
54 {
55 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
56 printf("name:%-2s, age:%d\n", pperson->name, pperson->age);
57 }
58
59 // 釋放資源
60 list_for_each_safe(pos, next, &person_head.list)
61 {
62 pperson = list_entry(pos, struct person, list);
63 list_del_init(pos);
64 free(pperson);
65 }
66 }
運行結果：
1 ==== 1st iterator d-link ====
2 name:1 , age:10
3 name:2 , age:20
4 name:3 , age:30
5 name:4 , age:40
6 name:5 , age:50
7 ==== delete node(age:20) ====
8 ==== 2nd iterator d-link ====
9 name:1 , age:10
10 name:3 , age:30
11 name:4 , age:40
12 name:5 , age:50
文章來源：
http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3562146.html