Linux链表操作方式

2025-06-10 16:17:34 作者：隐身模式

这篇文章主要介绍了Linux链表操作方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

本文系统讲解 Linux 下 C 语言链表的使用原理、最佳实践及内核模块中的实战示例，适合嵌入式开发者、驱动工程师和系统软件开发者。

一、链表基础概念与内核链表优势

1.1 为什么使用链表？

动态插入/删除效率高（相比数组不需要整体移动元素）
内存利用率高（按需分配）
常用于队列、任务调度、资源池、驱动设备列表等场景

1.2 Linux 内核链表与用户态链表的区别

项目	用户态实现	内核态实现
指针结构	自定义指针结构	使用 struct list_head
安全性	程序员自行维护	提供安全宏/内联函数
插入/删除API	手动实现	提供统一接口如 list_add
迭代方式	手动循环	宏如 list_for_each_entry

二、内核链表结构与宏解析

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

常用宏/函数：

INIT_LIST_HEAD(ptr)
list_add(new, head)：头插法
list_add_tail(new, head)：尾插法
list_del(entry)
list_empty(head)
list_for_each_entry(pos, head, member)
list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)

三、内核链表的优点

双向循环结构：从任意节点出发都能遍历完整链表
插入删除不涉及内容拷贝：仅修改指针
接口统一、安全可靠：可结合 container_of 获取真实结构体指针

四、用户态链表示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct student {
    int id;
    char name[20];
    struct student *next;
} student_t;

void add_student(student_t **head, int id, const char *name) {
    student_t *new_node = malloc(sizeof(student_t));
    new_node->id = id;
    strncpy(new_node->name, name, sizeof(new_node->name));
    new_node->next = *head;
    *head = new_node;
}

void print_students(student_t *head) {
    while (head) {
        printf("ID: %d, Name: %s\n", head->id, head->name);
        head = head->next;
    }
}

五、双向循环链表在内核中的实现优势

5.1 插入效率

在头部插入只需两次指针操作：

list_add(&new_node->list, &head);

5.2 安全遍历删除

list_for_each_entry_safe(ptr, tmp, &head, list) {
    list_del(&ptr->list);
    kfree(ptr);
}

六、典型应用场景

场景	描述
设备驱动管理	管理设备结构体（如 net_device）
定时器链表	内核定时器统一调度
slab 分配器链表	管理对象缓存池
进程调度/等待队列	管理 PCB / wait queue
协议栈管理	TCP/UDP 的 socket 链表

七、调试技巧与常见陷阱

7.1 打印链表内容

#define print_list(head) \
    list_for_each_entry(ptr, head, list) \
        printk(KERN_INFO "Node: %s\n", ptr->name);

7.2 常见错误

忘记初始化 INIT_LIST_HEAD
使用已释放节点（UAF）
非安全删除遍历（未使用 list_for_each_entry_safe）

八、实战案例：Linux 内核模块中的链表使用

8.1 模块源码

// mylist_module.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/list.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

struct student {
    int id;
    char name[20];
    struct list_head list;
};

static LIST_HEAD(student_list);

static int __init mylist_init(void)
{
    int i;
    struct student *stu;

    printk(KERN_INFO "Loading student list module...\n");

    for (i = 1; i <= 5; ++i) {
        stu = kmalloc(sizeof(*stu), GFP_KERNEL);
        stu->id = i;
        snprintf(stu->name, sizeof(stu->name), "Student%d", i);
        INIT_LIST_HEAD(&stu->list);
        list_add_tail(&stu->list, &student_list);
    }

    return 0;
}

static void __exit mylist_exit(void)
{
    struct student *stu, *tmp;

    printk(KERN_INFO "Unloading student list module...\n");

    list_for_each_entry_safe(stu, tmp, &student_list, list) {
        list_del(&stu->list);
        kfree(stu);
    }
}

module_init(mylist_init);
module_exit(mylist_exit);

8.2 Makefile 编译模块

obj-m += mylist_module.o

all:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

8.3 插入与卸载模块

$ make
$ sudo insmod mylist_module.ko
$ dmesg | tail -n 10
$ sudo rmmod mylist_module
$ dmesg | tail -n 10

总结：开发建议

建议项	内容
一定初始化链表头	使用 INIT_LIST_HEAD 初始化
删除节点用安全宏	list_for_each_entry_safe 防止遍历时删除崩溃
内存管理责任明确	kmalloc/kfree 成对使用
多线程环境加锁	必要时配合 spinlock 或 mutex
定位 bug 用 printk	输出 prev, next, 数据字段调试链表结构

本文涵盖了从用户态链表构造到 Linux 内核模块链表的实战应用，帮助你在驱动开发和内核开发中熟练掌握链表的构造与使用。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。