【数据结构与算法】 Linux内核中双向链表的实现基础

在前面文章链表（请戳我）中总结了双向链表，咱们继续对Linux内核中双向链表进行探讨，将分为两篇文章讲述，本文则主要涉及Linux内核中很是经常使用的两个经典宏定义offsetof和container_of。它是理解Linux内涵双向链表的基础。

假若你查看过Linux Kernel的源码，那么你对 offsetof 和 container_of 这两个宏应该不陌生。这两个宏最初是极客写出的，后来在Linux内核中被推广使用。下面分别介绍。

offsetof

定义：offsetof在linux内核的include/linux/stddef.h中定义。

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

功能：得到结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。

(1) ( (TYPE )0 ): 将零转型为TYPE类型指针，即TYPE类型的指针的地址是0
(2) ((TYPE )0)->MEMBER: 访问结构中的数据成员。
(3) &( ( (TYPE )0 )->MEMBER ): 取出数据成员的地址。因为TYPE的地址是0，这里获取到的地址就是相对MEMBER在TYPE中的偏移。
(4) (size_t)(&(((TYPE)0)->MEMBER)): 结果转换类型。对于32位系统而言，size_t是unsigned int类型；对于64位系统而言，size_t是unsigned long类型。
TYPE是结构体，它表明"总体"；而MEMBER是成员，它是总体中的某一部分。将offsetof看做一个数学问题来看待，问题就至关简单了：已知'总体'和该总体中'某一个部分'，而计算该部分在总体中的偏移。下面看一个例子。

#include <stdio.h>

// 得到结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
#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);
}

运行结果

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

container_of

定义：container_of在linux内核的include/linux/kernel.h中定义。

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

说明：根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"来获取指向整个结构体变量的指针。

(1) typeof( ( (type )0)->member ): 取出member成员的变量类型。
(2) const typeof( ((type )0)->member ) mptr = (ptr): 定义变量mptr指针，并将ptr赋值给mptr。通过这一步，mptr为member数据类型的常量指针，其指向ptr所指向的地址。
(3) (char )mptr: 将mptr转换为字节型指针。
(4) offsetof(type,member)) 就是获取"member成员"在"结构体type"中的位置偏移。
(5) (char )__mptr - offsetof(type,member)): 就是用来获取"结构体type"的指针的起始地址（为char 型指针）。
(6) (type )( (char )__mptr - offsetof(type,member) ): 就是将"char 类型的结构体type的指针"转换为"type 类型的结构体type的指针"。
type是结构体，它表明"总体"；而member是成员，它是总体中的某一部分，并且member的地址是已知的。

将offsetof看做一个数学问题来看待，问题就至关简单了：已知'总体'和该总体中'某一个部分'，要根据该部分的地址，计算出总体的地址。下面看一个例子。

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

// 得到结构体(TYPE)的变量成员(MEMBER)在此结构体中的偏移量。
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

// 根据"结构体(type)变量"中的"域成员变量(member)的指针(ptr)"
来获取指向整个结构体变量的指针

#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");

    // 根据"id地址" 获取 "结构体的地址"。
    pstu = container_of(&stu.id, struct student, id);

    // 根据获取到的结构体student的地址，访问其它成员
    printf("gender= %c\n", pstu->gender);
    printf("age= %d\n", pstu->age);
    printf("name= %s\n", pstu->name);
}

运行结果：

gender= 1
age= 24
name= zhouxingxing

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