一、链表数据结构简介
链表是一种常用的组织数据的数据结构，它通过指针将一系列数据节点连接成一条数据链，是线性表的一种重要实现方式。相对于数组，链表具有更好的动态性，建立链表时无需预先知道数据总量，可以随机分配空间，可以高效地在链表中的任意位置实时插入或删除数据。链表的开销主要是访问的顺序性和组织链的空间损失。
通常链表包括两个域：数据域和指针域，数据域用于存储数据，指针域用于建立与下一个节点的联系。链表一般可以分为单链表、双链表、循环链表等多种类型。
1、单链表
单链表是最简单的链表结构，它的结点包括两个域：数据域用来存储结点的数据信息；指针域用来存储数据元素的直接后继地址，即用来建立与下一个结点的联系。一般对单链表的遍历只能从头至尾依次顺序进行。
2、双链表
通过设计前驱和后继两个指针域，双链表可以从两个方向遍历，这是它区别于单链表的地方。如果打乱前驱、后继的依赖关系，就可以构成"二叉树"；如果再让首节点的前驱指向链表尾节点、尾节点的后继指向首节点（如图中虚线部分），就构成了循环链表；如果设计更多的指针域，就可以构成各种复杂的树状数据结构。
3、循环链表
循环链表的特点是尾节点的后继指向首节点。双向循环链表的特点是从任意一个节点出发，沿两个方向的任何一个，都能找到链表中的任意一个数据。如果去掉前驱指针，就是单循环链表。
在Linux内核中使用了大量的链表结构来组织数据，包括设备列表以及各种功能模块中的数据组织。这些链表大多采用在include/linux/list.h实现的一个相当精彩的链表数据结构。
二、Linux内核链表分析
内核链表结构体的定义以及操作都定义在linux/list.h文件中
1、链表结构体的定义
内核链表数据结构定义很简单：
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
}
list_head结构包含两个指向list_head结构的指针prev和next，由此可见，内核的链表具备双链表功能，实际上，通常它都组织成双循环链表。
和一般的双链表结构模型不同，这里的list_head没有数据域。在Linux内核链表中，不是在链表结构中包含数据，而是在数据结构中包含链表节点。因此该结构一般与其他数据类型构成新的数据结构使用。这就使内核链表具有通用性，避免了为每个数据项类型定义自己的链表的麻烦。
通常可以这样使用：
struct my_list
{
ElemType data;
struct list_head list;
};
2、声明和初始化
Linux只定义了链表节点，并没有专门定义链表头，那么一个链表结构是如何建立起来的呢？让我们来看看LIST_HEAD()这个宏：
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) \
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
当我们用LIST_HEAD(head)声明一个名为head的链表头时，它的next、prev指针都初始化为指向自己，这样，我们就有了一个空链表，因为Linux用头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空：
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{
return head->next == head;
}
LIST_HEAD(name)宏的作用就使是定义与初始化。
除了用LIST_HEAD()宏在声明的时候初始化一个链表以外，Linux还提供了一个INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)函数用于运行时初始化链表：
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
list->next = list;
list->prev = list;
}
例如：定义并初始化一个链表，该链表将连接struct my_list类型结点 LIST_HEAD(head) 创建一个头指针
3、插入、删除、合并
a）插入
对链表的插入操作有两种：在表头插入和在表尾插入。Linux为此提供了两个接口：
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head);
static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head);
因为内核链表是循环表，且表头的next、prev分别指向链表中的第一个和最末一个节点，所以，list_add和list_add_tail的区别并不大，实际上上述两个函数均调用下面的这个函数：
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;
}
该函数的作用是将new结点插入到prev和next之间。链表插入函数list_add和list_add_tail均调用这个函数来实现结点的插入操作，只不过参数不同而已。这也是内核链表实现的巧妙之处。
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);
}
可见，在表头插入是插入在head之后，而在表尾插入是插入在head->prev之后。
例如：
struct my_list newInfo;
list_add_tail(&newInfo.list, &head);
b）删除
链表结点的删除也很简单
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry->prev, entry->next);
entry->next = LIST_POISON1;
entry->prev = LIST_POISON2;
}
static inline void list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry->prev, entry->next);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{
next->prev = prev;
prev->next = next;
}
当要删除newInfo项时,可以这么做：
list_del(&newInfo.list,&head);
被剔除下来的newInfo.list，prev、next指针分别被设为LIST_POSITION2和LIST_POSITION1两个特殊值，这样设置是为了保证不在链表中的节点项不可访问--对LIST_POSITION1和LIST_POSITION2的访问都将引起页故障。与之相对应，list_del_init()函数将节点从链表中解下来之后，调用LIST_INIT_HEAD()将节点置为空链状态。
c）移动元素
Linux提供了将原本属于一个链表的节点移动到另一个链表的操作，并根据插入到新链表的位置分为两类
static inline void list_move(struct list_head *list, struct list_head *head)
{
__list_del(list->prev, list->next);
list_add(list, head);
}
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
__list_del(list->prev, list->next);
list_add_tail(list, head);
}
例如： list_move(&newInfo.list,&head)会把newInfo从所在链表上删除，再插入表头。
d)替换
static inline void list_replace(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
new->next = old->next;
new->next->prev = new;
new->prev = old->prev;
new->prev->next = new;
}
static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
list_replace(old, new);
INIT_LIST_HEAD(old);
}
即用新结点替换旧结点，很容易理解。
e)合并
除了针对节点的插入、删除操作，内核链表还提供了整个链表的插入功能
先来看看合并的基本函数：
static inline void __list_splice(const struct list_head *list,
struct list_head *prev,
struct list_head *next)
{
struct list_head *first = list->next;
struct list_head *last = list->prev;
first->prev = prev;
prev->next = first;
last->next = next;
next->prev = last;
}
这段代码很容易理解，就是将list链表插入到prev和next之间（不包括头结点）。
其他合并函数都是调用这个基本函数，例如：
static inline void list_splice(const struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
if (!list_empty(list))
__list_splice(list, head, head->next);
}
假设当前有两个链表，表头分别是list1和list2（都是struct list_head变量），当调用list_splice(&list1,&list2)时，只要list1非空，list1链表的内容将被挂接在list2链表上，位于list2和list2.next（原list2表的第一个节点）之间。新list2链表将以原list1表的第一个节点为首节点，而尾节点不变。如图（虚箭头为next指针）：
当list1被挂接到list2之后，作为原表头指针的list1的next、prev仍然指向原来的节点，为了避免引起混乱，Linux提供了一个list_splice_init()函数。