学嵌入式和C语言编程数据结构｜学习日记Day21：内核链表与队列学习

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| 前言：学习完双向普通链表，今天继续进阶学习 Linux 内核链表，还有非常常用的队列结构。这两块在嵌入式 Linux 驱动、任务缓存里面大量使用，是实际项目开发高频用到的数据结构。今天动手手写两套队列完整代码：链式队列、循环顺序队列 ，分.h 头文件、.c 实现文件、main 测试文件，完整工程实践。 |

一、内核链表

1、什么是内核链表

内核链表是 Linux 内核内部大量使用的链表形式，本质是双向循环链表。

结构示意图：

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| ppre ← ppre ← ppre ← ppre pnext → pnext → pnext → pnext 首尾结点互相指向对方，形成闭环。 |

2、内核链表和普通双向链表核心区别

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| 对比项 | 普通双向链表 | Linux 内核链表 |
| 数据存放方式 | 数据存放在链表结点内部；一旦写死结点的数据类型，这套链表只能处理这一种数据 | 链表结点嵌入到业务数据结构体里面，同一套链表接口，能够管理多种不同类型的数据 |
| 复用性 | 差，每种数据类型都要重写一套插入删除遍历接口 | 高，一套通用接口适配任意自定义结构体 |
| 适用场景 | 学习练习、简单小程序 | Linux 内核驱动、嵌入式大型项目 |

3、内核链表两大核心宏

内核提供两个关键宏，是内核链表实现通用的关键：

offsetof
获取链表成员的地址，距离整个结构体起始位置的偏移量。
container_of
已知链表成员变量的首地址，结合上面得到的偏移量，反向算出整个大结构体的首地址。

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| 💡理解关键点：普通链表：结点包数据；内核链表：数据结构体里面包含链表结点。通过offsetof+container_of 完成地址互相转换。 |

🧠思维导图：链表家族对比

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二、队列

1、队列基本概念

队列是线性存储结构，一端专门用来插入数据（队尾），另一端专门用来删除数据（队头）

队尾：数据插入的一端，插入操作叫入队

队头：数据删除的一端，删除操作叫出队

✅队列核心特性：FIFO 先进先出，后进后出 。

先放进去的数据，会优先拿出来。

2、队列实际应用

嵌入式最常用于：数据缓存，比如串口接收缓存、任务消息缓存。

3、队列全套 API 功能清单

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| 序号 | API 接口 | 功能说明 |
| ① | 创建队列 | 初始化队列，生成空队列实例 |
| ② | 入队 | 在队尾添加新的数据 |
| ③ | 出队 | 从队头取出并删除数据 |
| ④ | 获取队头元素 | 读取队头数据，不做删除 |
| ⑤ | 判空 | 判断队列里面是否没有元素 |
| ⑥ | 销毁队列 | 释放队列全部堆内存，防止内存泄漏 |
| ⑦ | 遍历 | 从头到尾打印队列全部元素 |

队列模型示意：

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| 【入队】 → 队尾 | data1 | data2 | data3 | 队头 →【出队】 |

4、链式队列代码实现（linkque）

链式队列依靠链表节点动态分配内存，没有固定容量限制。

linkque.h 头文件

linkque.c 功能实现文件

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| c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include "linkque.h" Linkque_s *creat_linkque() { Linkque_s *pque=malloc(sizeof(Linkque_s)); if(NULL==pque) { printf("malloc error\n"); return NULL; } pque->phead=NULL; pque->ptail=NULL; pque->clen=0; return pque; } int is_empty_linkque(Linkque_s *pque) { return NULL==pque->phead; } int insert_linkque_tail(Linkque_s *pque,Data_s data) { Node_s *pinsert=malloc(sizeof(Node_s)); if(NULL==pinsert) { printf("malloc error\n"); return -1; } pinsert->data=data; pinsert->pnext=NULL; if(is_empty_linkque(pque)) { pque->phead=pinsert; pque->ptail=pinsert; } else { pque->ptail->pnext=pinsert; pque->ptail=pinsert; } pque->clen++; return 0; } int pop_link_queue(Linkque_s *pque, Data_s *data) { if(is_empty_linkque(pque)) { return -1; } Node_s *pfree=pque->phead; pque->phead=pfree->pnext; if(data!=NULL) { *data=pfree->data; } free(pfree); if(NULL==pque->phead) { pque->ptail=NULL; } pque->clen--; return 0; } int get_link_queue_head(Linkque_s *pque,Data_s *pdata) { if(is_empty_linkque(pque)) { return -1; } *pdata=pque->phead->data; return 0; } void show_linkque(Linkque_s *pque) { if(is_empty_linkque(pque)) { return ; } Node_s *ptmp=pque->phead; while (NULL!=ptmp) { printf("%d ",ptmp->data); ptmp=ptmp->pnext; } printf("\n"); } void destory_linkque(Linkque_s *pque) { while(!is_empty_linkque(pque)) { pop_link_queue(pque,NULL); } free(pque); return ; } |

main.c 链式队列测试代码

5、循环顺序队列代码实现（seqque）

顺序队列基于数组实现，是循环队列，存在最大容量SEQ_MAX_LEN。

seqque.h 头文件

seqque.c 实现文件

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| c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include "seqque.h" Seqque_s *create_seqque() { Seqque_s *psq=malloc(sizeof(Seqque_s)); if(NULL==psq) { printf("malloc error\n"); return NULL; } psq->pbase=malloc(SEQ_MAX_LEN*sizeof(Data_s)); if(NULL==psq->pbase) { printf("malloc error\n"); return NULL; } psq->head=0; psq->tail=0; return psq; } int is_full_seqque(Seqque_s *psq) { if((psq->tail+1)==psq->head) { return 1; } return 0; } int is_empty_seqque(Seqque_s *psq) { if(psq->head==psq->tail) { return 1; } return 0; } int push_seq_queue(Seqque_s *psq,Data_s *data) { if(is_full_seqque(psq)) { return -1; } psq->pbase $psq-\>tail$ =*data; psq->tail=(psq->tail+1)%SEQ_MAX_LEN; return 0; } int pop_seq_queue(Seqque_s *psq,Data_s *data) { if(is_empty_seqque(psq)) { return -1; } *data=psq->pbase $psq-\>head$ ; psq->head=(psq->head+1)%SEQ_MAX_LEN; return 0; } int get_head_seq_queue(Seqque_s *psq) { if(is_empty_seqque(psq)) { return -1; } printf("head_base $%d$ = %d\n",psq->head,psq->pbase $psq-\>head$ ); } void show_seq_queue(Seqque_s *psq) { if(is_empty_seqque(psq)) { return; } int ptmp=psq->head; while(ptmp!=psq->tail) { printf("%d ",psq->pbase $ptmp$ ); ptmp=(ptmp+1)%SEQ_MAX_LEN; } printf("\n"); } void destory_seq_queue(Seqque_s *psq) { free(psq->pbase); free(psq); return ; } |

main.c 顺序队列测试代码

链式队列 vs 顺序循环队列对比

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| 对比项 | 链式队列 linkque | 循环顺序队列 seqque |
| 底层存储 | 链表 malloc 动态申请节点 | 数组内存块 |
| 容量 | 无硬性上限，受堆内存限制 | 固定最大 SEQ_MAX_LEN |
| 内存开销 | 每个节点额外保存 pnext 指针 | 只需要数组空间，无指针额外开销 |
| 满判断 | 不需要判满 | 需要判断(tail+1)%MAX == head |
| 适用场景 | 数据量波动大，嵌入式动态消息 | 串口缓冲区，已知最大缓存大小 |

三、今日学习小结

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| 1. 重点记忆两个宏：offsetof求偏移，container_of反向拿到结构体首地址。 |

普通双向链表虽然可以双向遍历，但是通用性差，每一种结构体都要重新写一套链表代码；Linux 内核链表通过把链表结点嵌入结构体，实现一套接口管理任意类型数据，内核驱动开发经常遇见。
队列遵循先进先出 FIFO 规则，在嵌入式项目多用于数据缓冲。队列的整套 API 和链表思路类似，但是有严格的访问规则：只能队尾入队、队头出队。
今天完整手写两套队列实现：链式队列、循环顺序队列。

链式队列动态 malloc 节点，销毁的时候循环调用出队释放内存；
顺序循环队列利用取模运算实现循环，牺牲一个位置区分队列满和队列空。

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| 踩坑记录：main 链式队列测试代码一开始漏掉 printf，直接写("head_data = %d\n",pdata);编译报错，调试的时候发现这个小 bug。 |