1.内核通用链表
一、什么是 list_head？
list_head 是 Linux 内核中自己实现的一种 双向循环链表 的结构，定义在 <linux/list.h> 中。它设计得非常轻巧、灵活，广泛用于内核模块、驱动、进程调度、网络协议栈等。
它的关键思想是：
将链表结构嵌入到你的数据结构中，从而实现通用链表操作。
二、结构定义
struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};
每一个 list_head 实际就是两个指针：指向下一个节点和上一个节点。
三、如何使用
假设你有一个自定义结构体：
struct student {char name[20];int age;struct list_head list; // 嵌入 list_head
};
这样，每个 student 节点就能通过 list 成员串联成一个链表。
四、常用操作宏（定义在 list.h）
| 宏 / 函数 | 作用 |
|---|---|
LIST_HEAD(name) | 定义并初始化链表头 |
INIT_LIST_HEAD(ptr) | 初始化某个节点（通常用于结构体内嵌） |
list_add(new, head) | 添加到链表头部 |
list_add_tail(new, head) | 添加到链表尾部 |
list_del(entry) | 删除节点 |
list_empty(head) | 判断链表是否为空 |
list_for_each(pos, head) | 遍历链表（不获取结构体） |
list_for_each_entry(ptr, head, member) | 遍历链表（获取结构体指针） |
list_for_each_entry_safe(...) | 安全遍历（可删除） |
五、链表是循环的
链表头的 next 指向第一个节点，prev 指向最后一个节点；尾节点的 next 又指向头部。这是一种 循环双向链表。
七、完整例子
不依赖内核的用户态实现（适合你直接编译）
用户空间简化版 list.h
先把这段保存为 list.h：
#ifndef _USER_LIST_H
#define _USER_LIST_H#include <stddef.h>struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }#define LIST_HEAD(name) \struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{list->next = list;list->prev = list;
}static inline void __list_add(struct list_head *new,struct list_head *prev,struct list_head *next)
{next->prev = new;new->next = next;new->prev = prev;prev->next = new;
}static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head, head->next);
}static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
{__list_add(new, head->prev, head);
}static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{next->prev = prev;prev->next = next;
}static inline void list_del(struct list_head *entry)
{__list_del(entry->prev, entry->next);entry->next = entry->prev = NULL;
}static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{return head->next == head;
}#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)#define container_of(ptr, type, member) ({ \const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );})#define list_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)#define list_for_each(pos, head) \for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)#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))#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))#endif
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "list.h"struct student {char name[20];int age;struct list_head list;
};LIST_HEAD(student_list);void add_student(const char *name, int age) {struct student *stu = malloc(sizeof(*stu));strcpy(stu->name, name);stu->age = age;INIT_LIST_HEAD(&stu->list);list_add_tail(&stu->list, &student_list);
}void show_students() {struct student *stu;list_for_each_entry(stu, &student_list, list) {printf("Name: %s, Age: %d\n", stu->name, stu->age);}
}void cleanup() {struct student *stu, *tmp;list_for_each_entry_safe(stu, tmp, &student_list, list) {list_del(&stu->list);free(stu);}
}int main() {add_student("Tom", 18);add_student("Jerry", 19);add_student("Alice", 20);printf("Student list:\n");show_students();cleanup();return 0;
}
分别介绍.h中的几个宏定义：
① offsetof宏
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)是 C 语言中非常经典的技巧，用来 计算结构体中某个成员变量相对于结构体起始地址的偏移量（以字节为单位）。
假设你有一个结构体：
struct student {int id; // 偏移 0char name[20]; // 偏移 4double gpa; // 偏移 24（视平台对齐规则）
};
现在你想知道 gpa 在结构体中的偏移是多少，可以这样写：
size_t offset = offsetof(struct student, gpa);
宏展开：
((size_t) &((struct student *)0)->gpa)
拆解：
(struct student *)0：构造一个指向地址 0 的结构体指针（不会真的访问地址 0，只是为了类型推导）。((struct student *)0)->gpa：假装在地址 0 上有一个结构体，访问其成员gpa，结果是一个 地址偏移表达式（例如0 + 24，实际上就是24字节偏移）。&((struct student *)0)->gpa：取这个成员的地址（是个偏移地址，不是真地址）。(size_t)：强制转换为整数类型，得到偏移量。
例子
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>struct my_struct {char a; // offset 0int b; // offset 4 (由于对齐)double c; // offset 8
};int main() {printf("offset of a = %zu\n", offsetof(struct my_struct, a)); // 0printf("offset of b = %zu\n", offsetof(struct my_struct, b)); // 4printf("offset of c = %zu\n", offsetof(struct my_struct, c)); // 8
}
offsetof(TYPE, MEMBER) 返回成员 MEMBER 在结构体 TYPE 中的字节偏移量，用于高级结构体操作的基础工具之一。
offsetof是由 C 标准定义的宏（在<stddef.h>中）。它是完全 编译期计算的，不访问内存，也不会有运行时开销。
在结构体操作、容器设计、内核链表、序列化、手动内存布局等场景中非常有用。
② container_of 宏：
#define container_of(ptr, type, member) ({ \const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );})
从结构体的某个成员指针（ptr），反推出这个成员所属的整个结构体的地址。
struct student {int id;struct list_head list;
};struct list_head *p = &stu->list;
struct student *stu_ptr = container_of(p, struct student, list);
这个宏干的事情就是：你只知道结构体中某个成员变量的地址 ptr，你想获得这个变量所在的整个结构体 type *，它会帮你算出来。
offsetof(type, member)：得到成员在结构体中的偏移。(char *)__mptr - offset：从成员地址减去偏移就得到结构体地址。
③ list_entry 宏
#define list_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)
通过链表指针 ptr 得到包含它的结构体 type *。
这个宏就是对 container_of 的封装，用在链表中，ptr 是 struct list_head * 类型。
④ list_for_each_entry 宏
#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))
遍历链表中的每一个结构体元素（不是链表节点 list_head，而是包含它的那个结构体）。
pos：用于遍历的结构体指针。head：链表头（struct list_head *）。member：结构体中的链表成员名字。
⑤ list_for_each_entry_safe宏
#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))
是 Linux 内核链表中非常常用的一个 “安全遍历”宏，用于在 遍历过程中可能会删除当前节点 的情况。它是对 list_for_each_entry 的增强版本。
对比来看：
list_for_each_entry
#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))
这个宏用于普通的链表遍历，pos 是当前元素指针。
但是 不能在遍历中删除当前元素，因为 pos = pos->next 是在遍历尾部执行的，一旦 pos 被删除了，就找不到下一个节点了，会导致访问野指针。
struct my_struct *pos;
list_for_each_entry(pos, &head, list) {if (should_delete(pos)) {list_del(&pos->list); // ❌危险：pos下一次访问就无效了kfree(pos);}
}
安全版本 list_for_each_entry_safe
#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))
多了一个变量 n（next）：
在遍历当前节点时，预先保存好下一个节点
n。即使你在中间
free(pos)或list_del(&pos->member)，也不会影响后续访问n，避免野指针。
struct my_struct *pos, *n;
list_for_each_entry_safe(pos, n, &head, list) {if (should_delete(pos)) {list_del(&pos->list); // ✅可以安全删除kfree(pos);}
}
| 宏名 | 作用 |
|---|---|
container_of | 从成员指针推导出结构体指针 |
list_entry | 从 list_head* 拿到结构体指针 |
list_for_each_entry | 遍历链表中包含 list_head 的结构体元素 |
list_for_each_entry_safe | 安全遍历链表中包含 list_head 的结构体元素 |
为什么要用用户空间简化版不依赖内核的用户态实现？
1. 用户态无需加载内核模块，更安全方便
在用户态编写和运行程序不需要 root 权限，也不涉及内核模块的编译、加载、卸载。
避免由于错误操作导致内核崩溃（例如 oops、panic）。
2. 无需依赖 Linux 内核头文件
内核中的
list_head定义在<linux/list.h>，不能直接在用户空间中使用，因为它依赖于很多内核结构（如container_of、prefetch、内存屏障等）。简化版中只保留核心逻辑，移除内核复杂依赖，更适合教学和用户态程序调试。
3. 易于学习和调试
用户态程序可以用
gdb、printf等方式方便地调试，学习list_head的插入、删除、遍历操作。可以专注理解链表逻辑，而不必关心底层硬件资源或内核调度等复杂因素。
4. 跨平台兼容性更好
简化版不依赖内核，在不同平台和系统（如 macOS、Windows 下的 WSL）中也能运行和调试。
5. 利于单元测试或快速原型
在开发内核模块之前，可以在用户空间用简化版
list_head提前验证算法逻辑。
用户空间简化版特点：
和内核的一样，提供双向循环链表的基本结构。
用
list_add、list_del、list_for_each等函数模拟内核链表操作。通常会配套实现一个
container_of宏，简化结构体成员查找。
八、内核链表与普通链表的区别
从编写代码的角度看：
内核链表：
嵌入在结构体内部，相当于在结构体内部的链表
struct student {char name[20];int age;struct list_head list;
};普通链表：
创建一个专门的链表节点，在链表内部的结构体
typedef struct ListNode {int data; // 数据域（可根据需求修改类型）struct ListNode *next; // 指针域，指向下一个节点
} ListNode;| 特性 | 优势 |
|---|---|
| 通用性 | 可嵌入任何结构体，实现任意链表类型。 |
| 内核标准 | 几乎所有内核链表都是用它做的 |
| 特性 | list_head（内核链表） | 普通链表（如学生手写的） |
|---|---|---|
| 支持双向链表 | 默认支持 | 需自己实现 |
| 节点结构通用 | 通用结构体嵌入 | 每种链表都得重新设计 |
| 插入/删除效率高 | O(1)，不需要额外判断 | 需特判头/尾/空链表等情况 |
| 安全性高 | 通过宏屏蔽指针错误 | 易出现野指针、空指针 |
| 支持遍历宏 | list_for_each 等宏方便遍历 | 手写 while (node) 不易维护 |
| 支持从节点找回宿主结构体 | container_of() 宏可找回宿主结构体 | 需要自己手动维护映射关系 |
| 易于模块化封装 | 一套链表机制通用于所有模块 | 每个模块都得造轮子 |
1. 通用性：
你可以把
list_head内嵌到任何结构体中，只要结构体里有struct list_head成员，就能挂进链表。所以它特别适合模块化/插件化开发，广泛用于内核、驱动、队列系统等。
2. 性能：
插入和删除操作 不需要遍历链表，也不需要特判头尾节点，始终是 O(1)。
它用的是双向循环链表结构（不是 NULL 结尾，而是指向自身），这让很多操作逻辑更简洁。
3. 安全性：
它会自动维护前后指针，避免你手动操作
next/prev出错。Linux 内核中还引入了调试辅助机制，能检测非法访问、双重删除等行为。
4. 反向查找能力：
通过
list_entry()或container_of()宏，可以轻松从list_head节点获取其宿主结构体的地址，实现灵活的对象管理。
普通链表存在的问题
每次写都要重新定义结构体。
插入/删除时容易出现各种 bug。
遍历复杂，容易出现内存泄漏或悬挂指针。
不支持从节点反查宿主结构体，缺乏灵活性。
没法通用于多个模块，需要复制粘贴逻辑。
list_head是一个“通用、可嵌入、性能高、安全”的链表实现，它解决的不是“如何实现链表”，而是“如何设计一套所有模块都能复用、零成本维护的链表管理机制”。
你可以把它理解为 链表机制中的“操作系统级标准库”，比自己写一个链表强得多。
