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Linuxカーネルで、最も一般的に使用される2つのデータ構造は、Linked Listと、Red-Black Treeだ。
リンクリストは、array[]を動的に展開できないという欠点を、解決するためのデータ構造で、要素のノードは、動的に作成、挿入、削除ができる。
また、各要素は、バラバラ保存されるため、連続メモリを占有する必要がない。
通常複数のノードで構成され、各ノードの構造は同じで、有効データ領域とポインタ領域の2つの部分で構成される。
------> Linux kernelは、ポインター領域だけにした、理由は後で。
--------------------------------------------------------------------------------
一般的なLinked List(密結合)と、その欠点
--------------------------------------------------------------------------------
以下のコードを例として、一般的なList構造について説明します。
(1)単一List
struct list {
unsigned int data;
struct list *next;
};
Linkさせた図は、以下:
.------------------------.
| head |
'-----------+------------'
/
/ list list list list
.-----+------------------. ..------------------------. .------------------------. .------------------------. .------------------------.
| unsigned int data | / | unsigned int data | /| unsigned int data | /| unsigned int data | /| NULL |
| | / | | / | | / | | / | |
|------------------------| / |------------------------| / |------------------------| / |------------------------| / '------------------------'
| | / | | / | | / | | /
| struct list *next -' | struct list *next |-' | struct list *next -' | struct list *next |'
'------------------------' '------------------------' '------------------------' '------------------------'
(2)二重List
struct list {
unsigned int data;
struct list *prev;
struct list *next;
};
欠点:
intメンバーの代わりに、char [10]に変えたら、List操作API群も、再実装が必要だ。
この点が、密結合のLink構造の欠点と言える。
--------------------------------------------------------------------------------
Linux Linked List(粗結合)
--------------------------------------------------------------------------------
粗結合:
Kernelのlistノードには、ポインタ領域のみがあり、データ領域がない:
struct list_head { //<include/linux/types.h>
struct list_head *next, *prev;
};
利点は、データ構造(構造体)に応じて、List操作API群を再実装する必要性が無い事だ。
データ領域がないので、struct list_headは、他データ構造の中に入れて、使う。
その上で、ノード作成、ノード挿入、ノード削除、ノードSCANなど、一連の操作API群も実装した。
即ち、粗結合の状態だ:
struct my_list {
int data1;
int data2;
struct list_head list;
};
* list_head は、データ構造全体のアドレスではなく、メンバー list_head のアドレスを指す。
list_head使い方:
Node 0 Node 1 Node 2
.-----------------------------. .-----------------------------. .-----------------------------.
| .-----------. | | .-----------. | | .-----------. |
| | int data1 | | | | int data1 | | | | int data1 | |
| '-----------' | | '-----------' | | '-----------' |
.-----------------. .-----------. | | .-----------. | | .-----------. |
| |\ | int data2 | | | | int data2 | | | | int data2 | |
| | \ '-----------' | | '-----------' | | '-----------' |
Head v | \ .------------------------. .------------------------. |
.----------------------. | .\----------v----------. | | \-----------v----------. | | \----------------------. |
| struct list_head | | | \ struct list_head | | | |\ struct list_head | | | |\ struct list_head | |
| .------. .------. | | | '------. .------. | | | | '------. .------. | | | | '------. .------. | |
.---->| | prev | | next |----------->| | prev | | next |--------------->| | prev | | next |--------------->| | prev | | next | | |
| | '------' '------' | | | '------' '------' | | | | '------' '------' | | | | '------' '------' | |
| '-----|----------------' | '----------------------' | | '----------------------' | | '---------------|------' |
| | | | | | | ^ | |
| | '-----------------------------' '-----------------------------' '---------------|---|---------'
| | | |
+-----------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|---'
'------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
--------------------------------------------------------------------------------
listの初期化---動的
--------------------------------------------------------------------------------
INIT_LIST_HEAD マクロ
struct list_head my_list; //定義
INIT_LIST_HEAD( &my_list ); //動的初期化
drivers/media/v4l2-core/v4l2-subdev.c: INIT_LIST_HEAD(&sd->list);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-async.c: INIT_LIST_HEAD(¬ifier->asd_list);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-async.c: INIT_LIST_HEAD(¬ifier->waiting);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-async.c: INIT_LIST_HEAD(¬ifier->done);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-async.c: INIT_LIST_HEAD(&sd->async_list);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-device.c: INIT_LIST_HEAD(&v4l2_dev->subdevs);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ctrls.c: INIT_LIST_HEAD(&hdl->ctrls);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ctrls.c: INIT_LIST_HEAD(&hdl->ctrl_refs);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ctrls.c: INIT_LIST_HEAD(&hdl->requests);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ctrls.c: INIT_LIST_HEAD(&hdl->requests_queued);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ctrls.c: INIT_LIST_HEAD(&ctrl->ev_subs);
drivers/media/v4l2-core/v4l2-dev.c: INIT_LIST_HEAD(&vdev->fh_list);
//マクロ定義
//このマクロは、list_head構造体のnextポインタ、prevポインタの指すアドレスを、初期化対象のlist_head構造体自身にしてる。
//WRITE_ONCEマクロは、GCC最適化によってコードが意図せぬ結果にならないよう、実装段階で防止する。
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list) //<include/linux/list.h>
{
WRITE_ONCE(list->next, list);
list->prev = list;
}
--------------------------------------------------------------------------------
listの初期化---静的
--------------------------------------------------------------------------------
LIST_HEAD マクロ
LIST_HEAD( my_list ); //静的初期化 (動的Listを初期化するマクロ INIT_LIST_HEAD より、INIT_ が無い)
//マクロ定義
#define LIST_HEAD(name) \
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
//ex
drivers/dma/stm32-mdma.c: LIST_HEAD(head);
drivers/dma/s3c24xx-dma.c: LIST_HEAD(head);
drivers/dma/tegra210-adma.c: LIST_HEAD(head);
drivers/dma/sf-pdma/sf-pdma.c: LIST_HEAD(head);
--------------------------------------------------------------------------------
List構造に要素を追加
--------------------------------------------------------------------------------
<include/linux/list.h>
list_add (struct list_head *new, struct list_head *head) //引数1: 追加対象(list_head構造体)、引数2: 追加先。追加場所は、引数2で指定したList構造の次
list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head) //引数1: 追加対象(list_head構造体)、引数2: 追加先。追加場所は、引数2で指定したList構造の前(=Listの最後尾)
----------------------------------------
例:
----------------------------------------
LIST_HEAD(head); /* 要素の挿入先 */
LIST_HEAD(new_list); /* 新たに追加したいList構造 */
list_add(&new_list, &head); /* headの後ろにnew_listを連結(nodeらの中では、一番最初に挿入) */
実行前:
.---------------------------------------------
| |
.-----------v-----------. |
| Head | |
| .-------. .-------. | |
| | | | | | |
| | prev | | next |-------------------. |
| '-------' '-------' | v |
'-----|-----------------' .-----------------------. |
| ^ | Node1 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------| prev | | next |----'
| | '-------' '-------' |
| '-----------------------'
| ^
'-----------------------------------'
実行後:
.--------------------------------------------------------------------------------------
v |
.-----------------------. |
| Head | |
| .-------. .-------. | |
| | | | | | |
| | prev | | next |------------------. |
| '-------' '-------' | | |
'-----|-----------------' v |
| ^ .-----------------------. |
| | | Node2 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------|prev | | next |-------------------------. |
| | '-------' '-------' | | |
| '-----------------------' | |
| ^ .-----------v-----------. |
| | | Node1 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------------| prev | | next |---------'
| | '-------' '-------' |
| '-----------------------'
| ^
| |
'-----------------------------------------------------------------------+
----------------------------------------
例:
----------------------------------------
LIST_HEAD(head); /* 要素の挿入先*/
LIST_HEAD(new_list); /* 新たに追加したいList構造 */
LIST_HEAD(last_list); /* 最後尾に追加したいList構造 */
list_add_tail(&new_list, &head); /* headの後ろにnew_listを連結 */
list_add_tail(&last_list, &head); /* headの最後尾にlast_listを連結 */
実行前:
.---------------------------------------------
| |
.-----------v-----------. |
| Head | |
| .-------. .-------. | |
| | | | | | |
| | prev | | next |-------------------. |
| '-------' '-------' | v |
'-----|-----------------' .-----------------------. |
| ^ | Node1 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------| prev | | next |----'
| | '-------' '-------' |
| '-----------------------'
| ^
'-----------------------------------'
実行後:
.--------------------------------------------------------------------------------------
v |
.-----------------------. |
| Head | |
| .-------. .-------. | |
| | | | | | |
| | prev | | next |------------------. |
| '-------' '-------' | | |
'-----|-----------------' v |
| ^ .-----------------------. |
| | | Node1 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------|prev | | next |-------------------------. |
| | '-------' '-------' | | |
| '-----------------------' | |
| ^ .-----------v-----------. |
| | | Node2 | |
| | | .-------. .-------. | |
| | | | | | | | |
| '-------------------------| prev | | next |---------'
| | '-------' '-------' |
| '-----------------------'
| ^
| |
'-----------------------------------------------------------------------+
--------------------------------------------------------------------------------
List構造から要素を削除
--------------------------------------------------------------------------------
List構造から要素を削除する場合、list_del()を使用する。
使用方法は、削除対象のList構造(list_head構造体)を引数として渡すだけである。
しかし、削除と言いつつ、ポインタの連結を変更しているだけなので、データ構造が確保していたメモリは解放されない。
そのため、list_del()を呼ぶ前に、データ構造が使用したメモリを解放しなければいけない。
LIST_HEAD(head); /* 要素の挿入先*/
LIST_HEAD(new_list); /* 新たに追加したいList構造 */
LIST_HEAD(last_list); /* 最後尾に追加したいList構造 */
list_add_tail(&new_list, &head); /* headの後ろにnew_listを連結 */
list_add_tail(&last_list, &head); /* headの最後尾にlast_listを連結 */
list_del(&last_list); /* 削除したいList構造のポインタを渡す */
--------------------------------------------------------------------------------
List構造からデータを参照方法
--------------------------------------------------------------------------------
----------------------------------------
list_for_each(pos, head) //Listを巡回(순회)するマクロ
----------------------------------------
#define list_for_each(pos, head) \
for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
pos: インジケーターで、最初のアイテム（head->next）を指す
head: listのheader(一番前)で、listのStart Addrである
posを起点として、最後までloopする。終了条件は、posが再びheadを指している場合。一周したことを表すから。
----------------------------------------
list_entry(ptr,type,member) //構造体のメンバーのPointerから、その構造体のPointerを取得するマクロ
----------------------------------------
#define list_entry(ptr,type,member) \ //ptr: メンバーのポインター、即ちstruct list_head型メンバーのポインター
container_of(ptr, type, member) //type: prtが所属している構造体の型
//member: prtが所属している構造体に含まれたstruct list_head型メンバー名
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((unsigned int) &((TYPE *)0)->MEMBER)
//offsetof()は、構造の開始Addrに対する構造内のメンバーのアドレスの距離を知るために使用され、
//container_of()は、メンバーのAddrがわかっている限り、構造の開始アドレスをさらに計算するために使用されます。
--------------------------------------------------------------------------------
従って、2マクロ:
list_for_each() と
list_entry () を
一緒に使用すれば、linked list全体にアクセスできる
--------------------------------------------------------------------------------
//ex:
list_for_each(listptr, head) {
entry = list_entry(listptr, struct My_DATA, list);
printf("entry->data_1= %d | list addr = %p | next = %p | prev = %p\n", entry->data_1, &entry->list, entry->list.next, entry->list.prev);
}
--------------------------------------------------------------------------------
list_for_each_entry(pos, head, member)
--------------------------------------------------------------------------------
for文のように、各ノードを順番にアクセスするマクロ
#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))
pos: インジケーターで、最初のアイテム（head->next）を指す
head: listのheader(一番前)で、listのStart Addrである
member: listのnodeのメンバー
--------------------------------------------------------------------------------
include/linux/list.h API群定義
--------------------------------------------------------------------------------
...