Linux链表操作方式
更新时间:2025年06月10日 16:18:36 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。
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