【數據結構與算法】 Linux內核中雙向鏈表的實現基礎

在前面文章鏈表（請戳我）中總結了雙向鏈表，咱們繼續對Linux內核中雙向鏈表進行探討，將分爲兩篇文章講述，本文則主要涉及Linux內核中很是經常使用的兩個經典宏定義offsetof和container_of。它是理解Linux內涵雙向鏈表的基礎。

假若你查看過Linux Kernel的源碼，那麼你對 offsetof 和 container_of 這兩個宏應該不陌生。這兩個宏最初是極客寫出的，後來在Linux內核中被推廣使用。下面分別介紹。

offsetof

定義：offsetof在linux內核的include/linux/stddef.h中定義。

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

功能：得到結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。

(1) ( (TYPE )0 ): 將零轉型爲TYPE類型指針，即TYPE類型的指針的地址是0
(2) ((TYPE )0)->MEMBER: 訪問結構中的數據成員。
(3) &( ( (TYPE )0 )->MEMBER ): 取出數據成員的地址。因爲TYPE的地址是0，這裏獲取到的地址就是相對MEMBER在TYPE中的偏移。
(4) (size_t)(&(((TYPE)0)->MEMBER)): 結果轉換類型。對於32位系統而言，size_t是unsigned int類型；對於64位系統而言，size_t是unsigned long類型。
TYPE是結構體，它表明"總體"；而MEMBER是成員，它是總體中的某一部分。將offsetof看做一個數學問題來看待，問題就至關簡單了：已知'總體'和該總體中'某一個部分'，而計算該部分在總體中的偏移。下面看一個例子。

#include <stdio.h>

// 得到結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

struct student
{
    char gender;
    int id;
    int age;
    char name[20];
};

int main()
{
    int gender_offset, id_offset, age_offset, name_offset;

    gender_offset = offsetof(struct student, gender);
    id_offset = offsetof(struct student, id);
    age_offset = offsetof(struct student, age);
    name_offset = offsetof(struct student, name);

    printf("gender_offset = %d\n", gender_offset);
    printf("id_offset = %d\n", id_offset);
    printf("age_offset = %d\n", age_offset);
    printf("name_offset = %d\n", name_offset);
}

運行結果

gender_offset = 0
id_offset = 4
age_offset = 8
name_offset = 12

container_of

定義：container_of在linux內核的include/linux/kernel.h中定義。

#define container_of(ptr, type, member) ({   \
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

說明：根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"來獲取指向整個結構體變量的指針。

(1) typeof( ( (type )0)->member ): 取出member成員的變量類型。
(2) const typeof( ((type )0)->member ) mptr = (ptr): 定義變量mptr指針，並將ptr賦值給mptr。通過這一步，mptr爲member數據類型的常量指針，其指向ptr所指向的地址。
(3) (char )mptr: 將mptr轉換爲字節型指針。
(4) offsetof(type,member)) 就是獲取"member成員"在"結構體type"中的位置偏移。
(5) (char )__mptr - offsetof(type,member)): 就是用來獲取"結構體type"的指針的起始地址（爲char 型指針）。
(6) (type )( (char )__mptr - offsetof(type,member) ): 就是將"char 類型的結構體type的指針"轉換爲"type 類型的結構體type的指針"。
type是結構體，它表明"總體"；而member是成員，它是總體中的某一部分，並且member的地址是已知的。

將offsetof看做一個數學問題來看待，問題就至關簡單了：已知'總體'和該總體中'某一個部分'，要根據該部分的地址，計算出總體的地址。下面看一個例子。

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

// 得到結構體(TYPE)的變量成員(MEMBER)在此結構體中的偏移量。
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

// 根據"結構體(type)變量"中的"域成員變量(member)的指針(ptr)"
來獲取指向整個結構體變量的指針

#define container_of(ptr, type, member) ({   \
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

struct student
{
    char gender;
    int id;
    int age;
    char name[20];
};

int main()
{
    struct student stu;
    struct student *pstu;

    stu.gender = '1';
    stu.id = 9527;
    stu.age = 24;
    strcpy(stu.name, "zhouxingxing");

    // 根據"id地址" 獲取 "結構體的地址"。
    pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);

    // 根據獲取到的結構體student的地址，訪問其它成員
    printf("gender= %c\n", pstu->gender);
    printf("age= %d\n", pstu->age);
    printf("name= %s\n", pstu->name);
}

運行結果：

gender= 1
age= 24
name= zhouxingxing

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