本文系統講解 Linux 下 C 語言鏈表的使用原理、最佳實踐及內核模塊中的實戰示例，適合嵌入式開發者、驅動工程師和系統軟件開發者。

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一、鏈表基礎概念與內核鏈表優勢

1.1 為什么使用鏈表？

• 動態插入/刪除效率高（相比數組不需要整體移動元素）
• 內存利用率高（按需分配）
• 常用于隊列、任務調度、資源池、驅動設備列表等場景

1.2 Linux 內核鏈表與用戶態鏈表的區別

項目	用戶態實現	內核態實現
指針結構	自定義指針結構	使用 struct list_head
安全性	程序員自行維護	提供安全宏/內聯函數
插入/刪除API	手動實現	提供統一接口如 list_add
迭代方式	手動循環	宏如 list_for_each_entry

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二、內核鏈表結構與宏解析

struct list_head {struct list_head *next, *prev;
};

常用宏/函數

• INIT_LIST_HEAD(ptr)
• list_add(new, head)：頭插法
• list_add_tail(new, head)：尾插法
• list_del(entry)
• list_empty(head)
• list_for_each_entry(pos, head, member)
• list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)

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三、內核鏈表的優點

• 雙向循環結構：從任意節點出發都能遍歷完整鏈表
• 插入刪除不涉及內容拷貝：僅修改指針
• 接口統一、安全可靠：可結合 container_of 獲取真實結構體指針

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四、用戶態鏈表示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>typedef struct student {int id;char name[20];struct student *next;
} student_t;void add_student(student_t **head, int id, const char *name) {student_t *new_node = malloc(sizeof(student_t));new_node->id = id;strncpy(new_node->name, name, sizeof(new_node->name));new_node->next = *head;*head = new_node;
}void print_students(student_t *head) {while (head) {printf("ID: %d, Name: %s\n", head->id, head->name);head = head->next;}
}

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五、雙向循環鏈表在內核中的實現優勢

5.1 插入效率

在頭部插入只需兩次指針操作：

list_add(&new_node->list, &head);

5.2 安全遍歷刪除

list_for_each_entry_safe(ptr, tmp, &head, list) {list_del(&ptr->list);kfree(ptr);
}

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六、典型應用場景

場景	描述
設備驅動管理	管理設備結構體（如 net_device）
定時器鏈表	內核定時器統一調度
slab 分配器鏈表	管理對象緩存池
進程調度/等待隊列	管理 PCB / wait queue
協議棧管理	TCP/UDP 的 socket 鏈表

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七、調試技巧與常見陷阱

7.1 打印鏈表內容

#define print_list(head) \list_for_each_entry(ptr, head, list) \printk(KERN_INFO "Node: %s\n", ptr->name);

7.2 常見錯誤

• 忘記初始化 INIT_LIST_HEAD
• 使用已釋放節點（UAF）
• 非安全刪除遍歷（未使用 list_for_each_entry_safe）

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八、實戰案例：Linux 內核模塊中的鏈表使用

8.1 模塊源碼

// mylist_module.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/list.h>MODULE_LICENSE("GPL");struct student {int id;char name[20];struct list_head list;
};static LIST_HEAD(student_list);static int __init mylist_init(void)
{int i;struct student *stu;printk(KERN_INFO "Loading student list module...\n");for (i = 1; i <= 5; ++i) {stu = kmalloc(sizeof(*stu), GFP_KERNEL);stu->id = i;snprintf(stu->name, sizeof(stu->name), "Student%d", i);INIT_LIST_HEAD(&stu->list);list_add_tail(&stu->list, &student_list);}return 0;
}static void __exit mylist_exit(void)
{struct student *stu, *tmp;printk(KERN_INFO "Unloading student list module...\n");list_for_each_entry_safe(stu, tmp, &student_list, list) {list_del(&stu->list);kfree(stu);}
}module_init(mylist_init);
module_exit(mylist_exit);

8.2 Makefile 編譯模塊

obj-m += mylist_module.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modulesclean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

8.3 插入與卸載模塊

$ make
$ sudo insmod mylist_module.ko
$ dmesg | tail -n 10
$ sudo rmmod mylist_module
$ dmesg | tail -n 10

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九、總結：開發建議

建議項	內容
一定初始化鏈表頭	使用 INIT_LIST_HEAD 初始化
刪除節點用安全宏	list_for_each_entry_safe 防止遍歷時刪除崩潰
內存管理責任明確	kmalloc/kfree 成對使用
多線程環境加鎖	必要時配合 spinlock 或 mutex
定位 bug 用 printk	輸出 prev, next, 數據字段調試鏈表結構

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本文涵蓋了從用戶態鏈表構造到 Linux 內核模塊鏈表的實戰應用，幫助你在驅動開發和內核開發中熟練掌握鏈表的構造與使用。