开源 C 语言库 Melon 之双向链表

本篇主要介绍开源 C 语言库 Melon 的双向链表使用，对开源 C 库感兴趣的读者可以访问：Github repo。

链表简介

先简单介绍一下什么是双向链表。可以参考下图：

简单来说，链表是将一个一个的结点，通过指针连接起来。而双向链表则是每一个结点不仅记录了指向下一结点的指针，也记录了指向前一结点的指针。

Melon 中的双向链表属于上图中带有尾部结点的双向链表。

双向链表的优势：结点的插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)，所以应对频繁插入和删除的场景，是非常适合的。

双向链表使用

我们先定义一个自定义结构体类型：

typedef struct test_s {
    int val;
} test_t;

后续的介绍中，我们要做的就是使用 Melon 的链表组件对这个结构进行改造，将其构建成一个双向链表。

在 Melon 中，双向链表有两种实现。两种实现进行对比也各有其特点，因此读者在了解各自特点后，可根据自己需要进行选择使用。

第一种实现

我们直接上代码，然后再进行说明：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mln_defs.h"

typedef struct test_s {
    int val;
    struct test_s *prev;
    struct test_s *next;
} test_t;

MLN_CHAIN_FUNC_DECLARE(test, test_t, static inline void, );
MLN_CHAIN_FUNC_DEFINE(test, test_t, static inline void, prev, next);

int main(void)
{
  int i;
  test_t *head = NULL, *tail = NULL, *t;

  for (i = 0; i < 10; ++i) {
    t = (test_t *)malloc(sizeof(test_t));
    if (t == NULL) {
        fprintf(stderr, "malloc failed.\n");
        return -1;
    }
    t->val = i;
    t->prev = t->next = NULL;
    test_chain_add(&head, &tail, t);
  }

  for (t = head; t != NULL; t = t->next) {
    printf("%d\n", t->val);
  }
  return 0;
}

这段代码中，main函数中的内容很简单，利用一个 for 循环，malloc10 个test_t结构，然后将其val填充数值。随后利用test_chain_add函数将这些结点连成一个链表。然后利用 for 循环遍历结点并打印val的值。

下面问题就来了，test_chain_add哪里来的？

我们看到main前有两个MLN_CHAIN_FUNC_xxx的宏，这两个宏是在 Melon 的mln_defs.h头文件中定义的，用来对链表的插入和删除函数进行定义和声明的。

MLN_CHAIN_FUNC_DECLARE

第一个参数：函数名前缀
第二个参数：自定义结构体类型
第三个参数：函数返回值及函数类型
第四个参数：函数参数限制属性（本例没有使用）

MLN_CHAIN_FUNC_DEFINE

第一个参数：函数名前缀
第二个参数：自定义结构体类型
第三个参数：函数返回值及函数类型
第四个参数：自定义结构中用于访问前一结点的指针成员名字
第五个参数：自定义结构中用于访问下一结点的指针成员名字

这两个宏会定义和声明两个函数，分别名为：test_chain_add和test_chain_del，这两个函数的原型类似如下形式：

void (*chain_op)(type **head, type **tail, type *node);

第一个参数为双向链表首指针的指针，第二个参数为双向链表尾指针的指针，第三个参数为要被操作的结点指针。

特点

这种实现方案的好处是：插入和删除函数可以被定义成inline或者增加一些其他属性。并且在遍历链表时，只需要访问自定义结点的prev和next指针即可。

缺点是：使用者需要知道自定义结构中自己加入的prev和next成员名字，以及如果定义了很多双向链表，则需要配套定义很多插入和删除函数，会增加可执行程序的体积。

第二种实现

这种实现可能比较常见了。我们直接看代码：

#include "mln_list.h"
#include "mln_defs.h"
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int        val;
    mln_list_t node;
} test_t;

int main(void)
{
    int i;
    test_t *t;
    mln_list_t sentinel = mln_list_null();

    for (i = 0; i < 3; ++i) {
        t = (test_t *)calloc(1, sizeof(*t));
        if (t == NULL)
            return -1;
        mln_list_add(&sentinel, &t->node);
        t->val = i;
    }
    for (t = mln_container_of(mln_list_head(&sentinel), test_t, node); \
         t != NULL; \
         t = mln_container_of(mln_list_next(&t->node), test_t, node))
    {
        printf("%d\n", t->val);
    }
    return 0;
}

主函数的行为与第一种实现的代码是完全一样的。差别在于如下几方面：

引入了mln_list.h头文件
test_t 中不再是添加prev和next成员，而是加入一个固定类型的成员，即mln_list_t类型的node成员。
双向链表的首尾指针改为了一个名叫sentinel的mln_list_t类型变量。
链表插入函数不再是自定义前缀函数，而是一个固定名称的函数名为mln_list_add.
访问链表首结点使用mln_list_head宏
想获取链表结点所在的宿主结构（即本例的 test_t ）指针，需要使用mln_defs.h中的mln_container_of宏。

特点

这种实现的优劣分别是：

优势：使用者不需要关心链表的具体实现细节，只需要在自定义类型中引入mln_list_t类型成员即可。并且函数的插入和删除操作都是固定名称的，分别为：mln_list_add和mln_list_remove。

劣势：对链表结点所属的宿主结点（ test_t ）的访问需要借助mln_container_of宏，这看上去并不如第一种实现中那么直观。且链表操作函数都是非 inline 的，因此频繁调用的开销会高于第一种实现。

事实上，感兴趣的读者可能会发现，第二种双向链表（mln_list.c），是使用第一种双向链表来实现的。

结语

感谢阅读，感兴趣的读者可以访问 Melon 库查看更多细节，Melon 是一个无依赖且开箱即用的开源 C 语言库，并且有配套的中英文文档。

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