c语言 链表 库,玩转C链表

链表是C语言编程中常用的数据结构，比如我们要建一个整数链表，一般可能这么定义：

struct int_node {

int val;

struct int_node *next;

};

为了实现链表的插入、删除、遍历等功能，另外要再实现一系列函数，比如：

void insert_node(struct int_node *head, struct int_node *current);

void delete_node(struct int_node *head, struct int_node *current);

void access_node(struct int_node *head)

{

struct int_node *node;

for (node = head; node != NULL; node = node->next) {

// do something here

}

}

如果我们的代码里只有这么一个数据结构的话，这样做当然没有问题，但是当代码的规模足够大，需要管理很多种链表，难道需要为每一种链表都要实现一套插入、删除、遍历等功能函数吗？熟悉C++的同学可能会说，我们可以用标准模板库啊，但是，我们这里谈的是C，在C语言里有没有比较好的方法呢？

Mr.Dave在他的博客里介绍了自己的实现，这个实现是个很好的方案，各位不妨可以参考一下。在本文中，我们把目光投向当今开源界最大的C项目--Linux Kernel，看看Linux内核如何解决这个问题。

Linux内核中一般使用双向链表，声明为struct list_head，这个结构体是在include/linux/types.h中定义的，链表的访问是以宏或者内联函数的形式在include/linux/list.h中定义。

struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

Linux内核为链表提供了一致的访问接口。

void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)；

void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)；

void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)；

void list_del(struct list_head *entry);

int list_empty(const struct list_head *head)；

以上只是从Linux内核里摘选的几个常用接口，更多的定义请参考Linux内核源代码。我们先通过一个简单的实作来对Linux内核如何处理链表建立一个感性的认识。

#include

#include "list.h"

struct int_node {

int val;

struct list_head list;

};

int main()

{

struct list_head head, *plist;

struct int_node a, b;

a.val = 2;

b.val = 3;

INIT_LIST_HEAD(&head);

list_add(&a.list, &head);

list_add(&b.list, &head);

list_for_each(plist, &head) {

struct int_node *node = list_entry(plist, struct int_node, list);

printf("val = %d\n", node->val);

}

return 0;

}

看完这个实作，是不是觉得在C代码里管理一个链表也很简单呢？代码中包含的头文件list.h是我从Linux内核里抽取出来并做了一点修改的链表处理代码，现附在这里给大家参考，使用的时候只要把这个头文件包含到自己的工程里即可。

#ifndef __C_LIST_H#define__C_LIST_Htypedef unsignedcharu8;

typedef unsignedshortu16;

typedef unsignedintu32;

typedef unsignedlongsize_t;#defineoffsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)/**

* container_of - cast a member of a structure out to the containing structure

* @ptr: the pointer to the member.

* @type: the type of the container struct this is embedded in.

* @member: the name of the member within the struct.

**/#definecontainer_of(ptr, type, member) (type *)((char *)ptr -offsetof(type,member))/** These are non-NULL pointers that will result in page faults

* under normal circumstances, used to verify that nobody uses

* non-initialized list entries.*/#defineLIST_POISON1 ((void *) 0x00100100)#defineLIST_POISON2 ((void *) 0x00200200)structlist_head {structlist_head*next,*prev;

};/**

* 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.*/#definelist_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)#defineLIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }#defineLIST_HEAD(name) \structlist_head name=LIST_HEAD_INIT(name)staticinlinevoidINIT_LIST_HEAD(structlist_head*list)

{

list->next=list;

list->prev=list;

}/**

* list_for_each - iterate over a list

* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.

* @head: the head for your list.*/#definelist_for_each(pos, head) \for(pos=(head)->next; pos!=(head); pos=pos->next)/**

* list_for_each_r - iterate over a list reversely

* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.

* @head: the head for your list.*/#definelist_for_each_r(pos, head) \for(pos=(head)->prev; pos!=(head); pos=pos->prev)/** Insert a new entry between two known consecutive entries.

*

* This is only for internal list manipulation where we know

* the prev/next entries already!*/staticinlinevoid__list_add(structlist_head*new,structlist_head*prev,structlist_head*next)

{

next->prev=new;new->next=next;new->prev=prev;

prev->next=new;

}/**

* list_add - add a new entry

* @new: new entry to be added

* @head: list head to add it after

*

* Insert a new entry after the specified head.

* This is good for implementing stacks.*/staticinlinevoidlist_add(structlist_head*new,structlist_head*head)

{

__list_add(new, head, head->next);

}/**

* list_add_tail - add a new entry

* @new: new entry to be added

* @head: list head to add it before

*

* Insert a new entry before the specified head.

* This is useful for implementing queues.*/staticinlinevoidlist_add_tail(structlist_head*new,structlist_head*head)

{

__list_add(new, head->prev, head);

}/** Delete a list entry by making the prev/next entries

* point to each other.

*

* This is only for internal list manipulation where we know

* the prev/next entries already!*/staticinlinevoid__list_del(structlist_head*prev,structlist_head*next)

{

next->prev=prev;

prev->next=next;

}/**

* list_del - deletes entry from list.

* @entry: the element to delete from the list.

* Note: list_empty on entry does not return true after this, the entry is

* in an undefined state.*/staticinlinevoidlist_del(structlist_head*entry)

{

__list_del(entry->prev, entry->next);

entry->next=LIST_POISON1;

entry->prev=LIST_POISON2;

}/**

* list_empty - tests whether a list is empty

* @head: the list to test.*/staticinlineintlist_empty(conststructlist_head*head)

{returnhead->next==head;

}staticinlinevoid__list_splice(structlist_head*list,structlist_head*head)

{structlist_head*first=list->next;structlist_head*last=list->prev;structlist_head*at=head->next;

first->prev=head;

head->next=first;

last->next=at;

at->prev=last;

}/**

* list_splice - join two lists

* @list: the new list to add.

* @head: the place to add it in the first list.*/staticinlinevoidlist_splice(structlist_head*list,structlist_head*head)

{if(!list_empty(list))

__list_splice(list, head);

}#endif//__C_LIST_H

list_head通常是嵌在数据结构内使用，在上文的实作中我们还是以整数链表为例，int_node的定义如下：

struct int_node {

int val;

struct list_head list;

};

使用list_head组织的链表的结构如下图所示：

遍历链表是用宏list_for_each来完成。

#define list_for_each(pos, head) \

for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \

pos = pos->next)

在这里，pos和head均是struct list_head。在遍历的过程中如果需要访问节点，可以用list_entry来取得这个节点的基址。

#define list_entry(ptr, type, member) \

container_of(ptr, type, member)

我们来看看container_of是如何实现的。如下图所示，我们已经知道TYPE结构中MEMBER的地址，如果要得到这个结构体的地址，只需要知道MEMBER在结构体中的偏移量就可以了。如何得到这个偏移量地址呢？这里用到C语言的一个小技巧，我们不妨把结构体投影到地址为0的地方，那么成员的绝对地址就是偏移量。得到偏移量之后，再根据ptr指针指向的地址，就可以很容易的计算出结构体的地址。

list_entry就是通过上面的方法从ptr指针得到我们需要的type结构体。

Linux内核代码博大精深，陈莉君老师曾把它形容为“覆压三百余里，隔离天日”(摘自《阿房宫赋》)，可见其内容之丰富、结构之庞杂。内核里有着众多重要的数据结构，具有相关性的数据结构之间很多都是用本文介绍的链表组织在一起，看来list_head结构虽小，作用可真不小。

Linux内核是个伟大的工程，其源代码里还有很多精妙之处，值得C/C++程序员认真去阅读，即使我们不去做内核相关的工作，阅读精彩的代码对程序员自我修养的提高也是大有裨益的。