TAILQ 队列是 FreeBSD 内核中的一种队列数据结构，在一些著名的开源库中(如 DPDK , libevent )有广泛的应用。
TAILQ 队列的定义
TAILQ 队列有 HEAD 和 ENTRY 两种基本的数据结构
#define TAILQ_HEAD(name, type) \
struct name { \
struct type *tqh_first; /* first element */ \
struct type **tqh_last; /* addr of last next element */ \
}
#define TAILQ_ENTRY(type) \
struct { \
struct type *tqe_next; /* next element */ \
struct type **tqe_prev;/* addr of previous next element*/ \
}
注意：数据结构中的 filed 都是 type 类型的指针(或者是二级指针)，这里的 type 是用户的队列元素类型，，将 ENTRY 结构内嵌到用户的 QUEUE_ITEM 结构中：
struct QUEUE_ITEM{
int value;
TAILQ_ENTRY(QUEUE_ITEM) entries;
};
TAILQ_HEAD(headname,QUEUE_ITEM) queue_head;
这和 Linux 中 list 的组织方式不一样，后者是单纯地将 struct list_head 作为链表的一个挂接点，并没有用户的信息，具体差别可以看下图：
TAILQ 队列的操作
TAILQ 提供了多种操作队列的 API ,比如：
TAILQ_HEAD(name, type) TAILQ_ENTRY(type) TAILQ_EMPTY(head) TAILQ_FIRST(head) TAILQ_FOREACH(var, head, field) TAILQ_INIT(head) TAILQ_INSERT_AFTER(head, listelm, elm, field) TAILQ_INSERT_BEFORE(listelm, elm, field) TAILQ_INSERT_TAIL(head, elm, field) .....
这些接口的实现和更多的操作接口可以参考 FreeBSD queue
TAILQ 队列中为什么 tqh_prev 和 tqh_last 要使用二级指针
要搞清楚这个问题，我们可以考虑如果不使用二级指针会怎么样？ 就像定义成下面这样。
#define FAKE_TAILQ_HEAD(name, type) \
struct name { \
struct type *tqh_first; /* first element */ \
struct type *tqh_last; /* last element */ \
}
#define FAKE_TAILQ_ENTRY(type) \
struct { \
struct type *tqe_next; /* next element */ \
struct type *tqe_prev; /* previous element*/ \
}
对比一下 TAILQ_HEAD 和 FAKE_TAILQ_HEAD (注意其中的红线和绿线的区别)
如果我们想要删除队列的任意一个元素，对 FAKE_TAILQ ，我们需要特殊处理该元素是第一个元素的情况(第一个元素的 tqe_prev 指针为空)，而 TAILQ 就没有这个烦恼！
TAILQ 队列的遍历性能
Linux 中的 list 只将 struct list_head 作为用户元素的挂接点，因此在正向遍历链表时，需要使用 container_of 这类接口才能获取用户的数据，而 TAILQ 由于 tqe_next 指针直接指向用户元素的类型，所以理论上，正向遍历 TAILQ 比 list 更快.但逆向遍历时,由于 TAILQ 的取用 prev 元素的操作比 next 麻烦的多，因此逆向遍历是比正向慢的：
#define TAILQ_PREV(elm, headname, field) \
(*(((struct headname *)((elm)->field.tqe_prev))->tqh_last))
以下是用附件中的代码测试的结果：
遍历 TAILQ :
TAILQ traversal time is 31955 us TAILQ reverse traversal time is 38699 us
遍历 list
list traversal time is 33062 us list list traversal time is 35864 us
附录
测试代码 bsd.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#define TAILQ_ENTRY(type) \
struct { \
struct type *tqe_next; /* next element */ \
struct type **tqe_prev;/* addr of previous next element*/ \
}
#define TAILQ_HEAD(name, type) \
struct name { \
struct type *tqh_first; /* first element */ \
struct type **tqh_last; /* addr of last next element */ \
}
#define TAILQ_FIRST(head) ((head)->tqh_first)
#define TAILQ_NEXT(elm, field) ((elm)->field.tqe_next)
#define TAILQ_PREV(elm, headname, field) \
(*(((struct headname *)((elm)->field.tqe_prev))->tqh_last))
#define TAILQ_LAST(head, headname) \
(*(((struct headname *)((head)->tqh_last))->tqh_last))
#define TAILQ_INIT(head) do { \
TAILQ_FIRST((head)) = NULL; \
(head)->tqh_last = &TAILQ_FIRST((head)); \
} while (0)
#define TAILQ_INSERT_TAIL(head, elm, field) do { \
TAILQ_NEXT((elm), field) = NULL; \
(elm)->field.tqe_prev = (head)->tqh_last; \
*(head)->tqh_last = (elm); \
(head)->tqh_last = &TAILQ_NEXT((elm), field); \
} while (0)
#define TAILQ_INSERT_BEFORE(listelm, elm, field) do { \
(elm)->field.tqe_prev = (listelm)->field.tqe_prev; \
TAILQ_NEXT((elm), field) = (listelm); \
*(listelm)->field.tqe_prev = (elm); \
(listelm)->field.tqe_prev = &TAILQ_NEXT((elm), field); \
} while (0)
#define TAILQ_FOREACH(var, head, field) \
for ((var) = TAILQ_FIRST((head)); \
(var); \
(var) = TAILQ_NEXT((var), field))
#define TAILQ_FOREACH_REVERSE(var, head, headname, field) \
for ((var) = TAILQ_LAST((head), headname); \
(var); \
(var) = TAILQ_PREV((var), headname, field))
struct QUEUE_ITEM{
int value;
TAILQ_ENTRY(QUEUE_ITEM) entries;
};
TAILQ_HEAD(headname,QUEUE_ITEM) queue_head;
#define ITEM_NUM 5000000
#define TRAVERSAL 20
int main(int argc,char **argv){
struct QUEUE_ITEM *item;
long long totaltime = 0;
struct timeval start,end;
long long metric[TRAVERSAL];
int i = 0;
TAILQ_INIT(&queue_head);
for(i=1;i<ITEM_NUM;i+=1){
item=malloc(sizeof(struct QUEUE_ITEM));
item->value=i;
TAILQ_INSERT_TAIL(&queue_head, item, entries);
}
for (i = 0; i < TRAVERSAL; i++)
{
gettimeofday(&start,NULL);
TAILQ_FOREACH(item, &queue_head, entries)
{
item->value++;
}
gettimeofday(&end,NULL);
metric[i] = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000 + (end.tv_usec - start.tv_usec); // get the run time by microsecond
}
totaltime = 0;
for (i=0;i<TRAVERSAL;i++)
{
totaltime += metric[i];
}
printf("TAILQ traversal time is %lld us\n", totaltime/TRAVERSAL);
for (i = 0; i < TRAVERSAL; i++)
{
gettimeofday(&start,NULL);
TAILQ_FOREACH_REVERSE(item, &queue_head, headname,entries)
{
item->value++;
}
gettimeofday(&end,NULL);
metric[i] = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000 + (end.tv_usec - start.tv_usec); // get the run time by microsecond
}
totaltime = 0;
for (i=0;i<TRAVERSAL;i++)
{
totaltime += metric[i];
}
printf("TAILQ reverse traversal time is %lld us\n", totaltime/TRAVERSAL);
return 0;
}
测试代码 list.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h> /* for offsetof */
#include <sys/time.h>
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
#define list_entry(ptr, type, member) \
container_of(ptr, type, member)
#define list_first_entry(ptr, type, member) \
list_entry((ptr)->next, type, member)
#define list_last_entry(ptr, type, member) \
list_entry((ptr)->prev, type, member)
#define list_next_entry(pos, member) \
list_entry((pos)->member.next, typeof(*(pos)), member)
#define list_prev_entry(pos, member) \
list_entry((pos)->member.prev, typeof(*(pos)), member)
#define list_for_each_entry(pos, head, member) \
for (pos = list_first_entry(head, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = list_next_entry(pos, member))
#define list_for_each_entry_reverse(pos, head, member) \
for (pos = list_last_entry(head, typeof(*pos), member); \
&pos->member != (head); \
pos = list_prev_entry(pos, member))
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) \
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
list->next = list;
list->prev = list;
}
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;
}
static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
{
__list_add(new, head, head->next);
}
struct QUEUE_ITEM{
int value;
struct list_head node;
};
LIST_HEAD(queue_head);
#define ITEM_NUM 5000000
#define TRAVERSAL 20
int main()
{
int i = 0;
struct QUEUE_ITEM *item;
long long totaltime = 0;
struct timeval start,end;
long long metric[TRAVERSAL];
for(i=1;i<ITEM_NUM;i+=1){
item=malloc(sizeof(struct QUEUE_ITEM));
item->value = i;
INIT_LIST_HEAD(&item->node);
list_add(&item->node, &queue_head);
}
for (i = 0; i < TRAVERSAL; i++)
{
gettimeofday(&start,NULL);
list_for_each_entry_reverse(item, &queue_head, node)
{
item->value++;
}
gettimeofday(&end,NULL);
metric[i] = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000 + (end.tv_usec - start.tv_usec); // get the run time by microsecond
}
totaltime = 0;
for (i=0;i<TRAVERSAL;i++)
{
totaltime += metric[i];
}
printf("list traversal time is %lld us\n", totaltime/TRAVERSAL);
for (i = 0; i < TRAVERSAL; i++)
{
gettimeofday(&start,NULL);
list_for_each_entry(item, &queue_head, node)
{
item->value++;
}
gettimeofday(&end,NULL);
metric[i] = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000 + (end.tv_usec - start.tv_usec); // get the run time by microsecond
}
totaltime = 0;
for (i=0;i<TRAVERSAL;i++)
{
totaltime += metric[i];
}
printf("list list traversal time is %lld us\n", totaltime/TRAVERSAL);
return 0;
}
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