【内核链表】数据结构——深入理解内核链表的概念和操作笔记
內核鏈表
- 一、內核鏈表的前置概念
- 1、容器
- 2、通用解決方案
- 二、通用型鏈表節點的設計
- 1、初始化
- 2、增刪操作
- 3、查找節點
- 4、遍歷鏈表
- 5、示例代碼
- 三、內核鏈表
- 1、普通鏈表弊端
- 2、內核鏈表
- 2.1內核鏈表結構
- 2.2內核鏈表的節點設計
- 2.3內核鏈表的相關函數
- 1）內核鏈表的初始化—— INIT_LIST_HEAD
- 2）插入節點
- 3）內核鏈表的遍歷——list_for_each_entry（宏函數 就是一個for循環）
- 4）內核鏈表節點刪除——list_del
- 5）內核鏈表的銷毀——先把除了頭結點的所有地址是否，最后釋放頭結點
- 6）示例代碼
一、內核鏈表的前置概念
到目前為止，我們的順序表或者鏈表都以存放整型數據為例，但在實際工作應用中，處理的對象不一定是一個整數，而是任意的數據類型，這就要求我們對順序表和鏈表的設計要做一個更加深入的理解。
1、容器
首先要理解，所有的數據結構本質上是一種容器，包括已經學習了的順序表、鏈表，以及后續將會學習的棧、隊列、二叉樹等，所謂容器，指的是只關心其內部數據之間的邏輯關系，并提供這種邏輯關系相對應的操作的集合。容器不關心數據本身的類型，因為對于容器而言，不管是存儲一個整數還是存儲一個進程，還是一個學生、一本圖書，他們都被稱為一個數據節點。
如圖：
2、通用解決方案
容器提供的是數據處理的通用解決方案，即：提供一套可以處理任意數據類型的通用API，不管是什么數據，都可以統一處理。比如鏈表，不管處理什么數據，對它們的操作都是統一的：初始化、插入、刪除、遍歷、銷毀等。
目前，有兩種常見的方式來獲得通用性：
- 創建容器時，讓用戶提供數據的類型。典型的應用案例是STL（一個C++的類庫）。
- 將數據從容器中剝離出去，讓容器只提供邏輯，典型應用案例是Linux內核鏈表。
由于C語言沒有類，也不支持重載，受語言本身特性的限制，一般不使用第一種辦法來設計通用容器，但在一些小型程序中，C語言也是可以實現通用性的，關鍵在于：讓用戶提供數據的類型。而容器本身只處理跟數據邏輯結構相關的操作，凡是涉及具體數據的操作，一律要讓用戶來提供。
3、下面以雙向鏈表為例，使用上述第一種方法，將其改造成通用的容器。
核心：
①數據域不再固定——鏈表的節點設計不再固定
②借助工程的模塊化和static關鍵字（限制作用域）
③頭文件特性——頭文件會在預處理時被展開
二、通用型鏈表節點的設計
1、初始化
// list.h #ifndef DATATYPE //此條件決定了下面通用結構體的具體類型 #define DATATYPE int #endiftypedef DATATYPE datatype;// 此處的節點是通用的 // 原理是將具體數據的類型讓渡給用戶自己去定義 typedef struct node { //數據域datatype data; //指針域struct node *prev;struct node *next; }listnode, *linklist;以上代碼有幾處需要著重解釋：
- 上述代碼必須寫在*.h頭文件中，而不是*.c源文件中
- 用戶使用該容器的時候，定義DATATYPE為其所需要的數據類型
許多人比較困惑的地方在于，既然用戶需要提供數據，那為什么不直接讓用戶定義datatype，而要去定義宏 DATATYPE 呢？原因是 typedef 無法跟宏一樣，給用戶提供一個默認的數據類型。
接下來，對于跟用戶數據無關的操作，無需任何修改，直接就是通用的，比如初始化、判斷是否為空：
// 注意以下內容必須放在頭文件 list.h 中// 初始化空鏈表，與用戶實際數據無關 static node * initList() {node * head = (node *)malloc(sizeof(node));if(head != 0){head->prev = head;head->next = head;}return head; }// 判斷鏈表是否為空，與用戶實際數據無關 static bool isEmpty(node *head) {return head->next == head; }注意：
通用型算法一律都只能寫到頭文件 list.h 中，因為編譯的時候 datatype 必須結合用戶提供的 *.c 源文件才能確定切確的類型，如果單獨編輯 list.c，那么在編譯產生 list.o 的過程中就無法使用用戶所指定的類型。
注意：
通用型算法代碼 list.h 的使用方法，就是直接作為頭文件放在用戶程序中即可，如果用戶需要使用鏈表容器處理其特定的數據，那么就自定義宏 DATATYPE，如：
注意：
為防止頭文件被多個C文件包含而造成函數沖突，頭文件中的所有函數必須被定義為靜態存儲類型。
2、增刪操作
由于增刪操作都涉及用戶具體的數據，因此需要對之前的操作作出修改。以增刪鏈表首部第一個節點為例，參考代碼如下：
// 根據用戶提供的數據，產生一個新節點 static linklist __newNode(datatype *newData) {linklist new = malloc(sizeof(listnode));if(new != NULL){new->data = *newData;new->prev = new;new->next = new;}return new; }// 將新節點new插入到鏈表的首部 void listAdd(linklist head, datatype *newdata) {linklist new = __newNode(newdata);new->prev = head;new->next = head->next;head->next->prev = new;head->next = new; }// 將新節點new插入到鏈表的尾部 void listAddTail(linklist head, datatype *newdata) {linklist new = __newNode(newdata);new->prev = head->prev;new->next = head;head->prev->next = new;head->prev = new; }// 將指定節點從鏈表中剔除出去 bool listDel(linklist p) {if(p==NULL || isEmpty(p))return false;// 將原鏈表首節點剔除出鏈表p->prev->next = p->next;p->next->prev = p->prev;p->prev = p;p->next = p;return true; }提醒：
不對外的函數接口，一般使用下劃線開頭，比如 __newNode()
補充：
回調函數:
這類函數是作為參數被其他函數調用
數組名作為參數傳遞進去本質上是數組首元素地址
函數名作為參數傳遞進去本質上是函數的地址
關于遍歷通用型鏈表,可以用戶自己設計一個適合當前自定義節點的回調函數，專門用來遍歷打印使用
3、查找節點
在鏈表中查找某個節點也是一種常規操作，但查找操作與上述的增刪操作有個很大的不同，節點的比對是跟節點本身數據密切相關的，比如整型數據可以直接使用等號來判斷是否一致，而字符串則需要通過特定的函數才能判斷，至于結構體，則無法使用任何現成的方式去判定，只能由用戶根據其實際數據去判定。
因此，查找節點時，節點的判定接口必須由用戶提供，鏈表只提供回調接口。具體代碼如下：
4、遍歷鏈表
與上述查找算法類似，容器只應提供跟通用性相關的操作，任何涉及用戶數據的操作都是不能寫的，否則就是去了通用性。之前對鏈表的遍歷，就是將節點中的數據打印出來，這是一種特定的針對整型數據的操作，是不具備通用性的。
注意：
1）在實際應用中，遍歷鏈表時對每個節點的訪問操作不一定是將節點內部數據打印出來。
2）對節點的訪問方式，應該交給用戶去處理，只有用戶才知道怎么處理。
容器本身必須且只能提供“挨個訪問”每個節點的路徑操作，而不能涉及任何數據本身。
3）對節點的操作，需將用戶提供的特定操作函數 handle 以參數的方式傳入給遍歷函數，比如：
// 遍歷鏈表，并使用用戶提供的鉤子函數 handle 處理節點
5、示例代碼
double_list.h：
#ifndef DATATYPE #define DATATYPE int #endif typedef DATATYPE datatype;typedef struct node {//數據域datatype data;//指針域struct node *next; //后繼指針，指向下一個與當前類型一致的成員struct node *prev; //前驅指針 } listnode, *linklist;//通用型鏈表初始化 static linklist List_Init() {linklist Head = malloc(sizeof(listnode));Head->next = Head;Head->prev = Head;return Head; }//通用型鏈表頭插操作 static void HeadInsert(linklist Head, datatype info) {linklist Newnode = malloc(sizeof(listnode));//數據域Newnode->data = info;//指針域Newnode->next = Head->next;Head->next = Newnode;Newnode->next->prev = Newnode;Newnode->prev = Head; } //通用型鏈表尾插操作 static void TailInsert(linklist Head, datatype info) {linklist Newnode = malloc(sizeof(listnode));//數據域Newnode->data = info;//指針域Newnode->next = Head;Head->prev->next = Newnode;Newnode->prev = Head->prev;Head->prev = Newnode; }//通用型鏈表遍歷操作 static void List_brow(linklist Head, void (*pfunction)(datatype)) {linklist temp = Head->prev;while (temp != Head){pfunction(temp->data);temp = temp->prev;} }//通用型鏈表刪除節點操作 static void List_Nulldelete(linklist Node) {Node->next->prev = Node->prev;Node->prev->next = Node->next;free(Node); }//通用型鏈表按條件刪除節點操作 static void List_Havedelete(linklist Head, linklist (*fun)(linklist)) {linklist temp = fun(Head);if (temp != NULL){temp->prev->next = temp->next;temp->next->prev = temp->prev;free(temp);printf("刪除成功！\n");}elseprintf("刪除失敗！\n"); }//通用型鏈表查找節點操作 static void List_Search(linklist Head, linklist (*fun)(linklist)) {linklist temp = fun(Head);if (temp != NULL){printf("查找成功！\n");}elseprintf("查找失敗！\n"); }//通用型鏈表銷毀操作 static void List_Destroy(linklist Head) {linklist p = Head;linklist q = p->next;int i = 0;while (q != Head){p = q;free(p);i++;q = q->next;}free(Head);printf("成功釋放%d個節點\n", i); }double_list.c：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> struct book {char bookname[64];char Author[64];float price; }; #define DATATYPE struct book#include "double_list.h"//打印節點內容 void pridata(datatype binfo) {printf("%s\t%s\t%.1f\n", (binfo).bookname, (binfo).Author, (binfo).price); }//按書名查找節點 linklist Search(linklist Head) {//查找char buf[32] = {0};printf("輸入你想要查找(刪除)的書名:");scanf("%s", buf);linklist temp = Head->next;int flag = 0;while (temp != Head){if (strcmp(temp->data.bookname, buf) == 0){return temp;flag = 1;break;}temp = temp->next;}if (flag == 0)return NULL; } int main() {//創建空表struct node *head = List_Init();datatype binfo;//尾插for (int i = 0; i < 3; i++){scanf("%s %s %f", binfo.bookname, binfo.Author, &binfo.price);while (getchar() != '\n'); //清空\nTailInsert(head, binfo);}//按條件刪除List_Havedelete(head, Search);//刪除指定節點//List_Nulldelete(head->prev);//修改節點//List_Revise(head->prev, Revise);//使用通用型的鏈表遍歷函數,實現每找到一個節點 調用一次回調函數,處理找到的當前節點List_brow(head, pridata);//查找結點List_Search(head, Search);//銷毀節點List_Destroy(head);return 0; }三、內核鏈表
1、普通鏈表弊端
普通鏈表概念簡單，操作方便，但存在有致命的缺陷，即：每一條鏈表都是特殊的，不具有通用性。因為對每一種不同的數據，所構建出來的鏈表都是跟這些數據相關的，所有的操作函數也都是數據密切相關的，換一種數據節點，則所有的操作函數都需要一一重新編寫，這種缺陷對于一個具有成千上萬種數據節點的工程來說是災難性的。
2、內核鏈表
如前所述，內核鏈表解決通用性問題，大概分兩步：
①設計標準節點
②針對標準節點，設計由標準節點構成的標準鏈表的所有操作
內核鏈表的標準節點及其所有操作，都被封裝在內核源碼中，具體來講都被封裝在一個名為 list.h 的文件中，該文件在內核中的位置是：
kernel/linux/include/list.h
內核中的源碼文件 list.h 實際上包含了兩部分內容，一是內核鏈表，二是哈希鏈表。經過整理的、僅包含內核鏈表的文件：kernel_list.h
百度網盤下載kernel_list.h文件：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1EIHrpbUgx-FphHDCX-jwDQ
提取碼：i7qs
2.1內核鏈表結構
內核鏈表分為兩個結構體
1）大結構體——包含數據域與指針域（用戶自己來設計）
2）小結構體——地址結構體（內核鏈表定義的類型）
內核鏈表的雙向循環結構其實就是地址結構體形成的雙向循環結構。
2.2內核鏈表的節點設計
- 小結構體
- 大結構體
2.3內核鏈表的相關函數
1）內核鏈表的初始化—— INIT_LIST_HEAD
#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \ } while (0)參數：ptr ——鏈表頭結點中地址結構體的地址
2）插入節點
頭插法：
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) {__list_add(new, head, head->next); }尾插法：
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head) {__list_add(new, head->prev, head); }new : 新插入的節點的地址結構體的地址
head : 鏈表頭結點的地址結構體的地址
3）內核鏈表的遍歷——list_for_each_entry（宏函數 就是一個for循環）
#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))pos: 遍歷鏈表每一個節點的的指針p (p是大結構體的類型)
head: 頭結點里面地址結構體的地址 (小結構體的類型)
member : 地址結構體的名字 --》ptr
4）內核鏈表節點刪除——list_del
static inline void list_del(struct list_head *entry) {__list_del(entry->prev, entry->next);entry->next = (void *) 0;entry->prev = (void *) 0; }entry : 需要被刪除的節點的地址結構體的地址
5）內核鏈表的銷毀——先把除了頭結點的所有地址是否，最后釋放頭結點
#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))pos : 指向大的鏈表節點的指針 (大的結構體類型)
n : 大的鏈表節點的指針，防止鏈表斷裂 (大的結構體類型)
head : 鏈表頭結點里面地址結構體的地址
member :地址結構體的名字
6）示例代碼
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include "kernel_list.h"//數據域結構體 struct book {char bookname[64];char Author[64];float price; };#define DATATYPE struct book typedef DATATYPE datatype;//構建節點----大結構體 typedef struct node {//數據域struct book data;//指針域----小結構體struct list_head list; }Node, *pNode;//借助內核鏈表宏定義完成雙向循環鏈表空表初始化 pNode List_Init(void) {pNode Head = (pNode)malloc(sizeof(Node));if(Head == NULL){perror("malloc faild!");return NULL;}//做好大結構體中小結構體的鏈式關系INIT_LIST_HEAD(&Head->list);return Head; }//使用內核鏈表完成頭插 int Head_Insert(pNode Head, datatype info) {//新節點空間分配pNode Newnode = (pNode)malloc(sizeof(Node));if(Newnode == NULL){perror("malloc faild!");return -1; //插入失敗}//數據域Newnode->data = info;//指針域---使用內核鏈表頭插list_add(&(Newnode->list), &(Head->list)); }//使用內核鏈表實現遍歷 void pridata(datatype binfo) {printf("%s\t%s\t%.1f\n",(binfo).bookname,(binfo).Author,(binfo).price); } void List_BrowRight(pNode Head, void (*pfunction)(datatype)) {pNode p;struct list_head *pos; //pos指向每一個大結構體中的小結構體list_for_each(pos, &(Head->list)) //循環遍歷{//以上循環只提供小結構體指針的遍歷，但是遍歷找的是大結構體的數據域，根據每個pos得到大結構體地址p = list_entry(pos, Node, list);pfunction(p->data); //打印} }//使用內核鏈表的刪除 void List_Delete(pNode Node) {list_del(&(Node->list));free(Node); }int main() {pNode head = List_Init();datatype tempinfo;//頭插for(int i=0;i<3;i++){scanf("%s %s %f", tempinfo.bookname, tempinfo.Author, &tempinfo.price);while(getchar()!='\n');Head_Insert(head, tempinfo);}//刪除節點pNode p; struct list_head *pos = (&(head->list))->next; //在小結構體中找到你想刪除的節點p = list_entry(pos, Node, list); //獲取該節點的大結構體的地址List_Delete(p); //刪除該節點//遍歷List_BrowRight(head, pridata); }總結
以上是生活随笔為你收集整理的【内核链表】数据结构——深入理解内核链表的概念和操作笔记的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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