Embedded C++ for Real Systems · 29/41

Intrusive Containers 분석 — 동적 할당 없는 컨테이너 설계

2026년 5월 1일 · Hawk · 5분 읽기

cpp embedded intrusive linked-list container no-alloc

#한 줄 요약

“Intrusive = 객체 안에 list pointer를 박는 방식입니다.” std::list처럼 wrapper node를 두지 않으므로 추가 할당이 0입니다.

#어떤 문제를 푸는가

std::list<T>의 내부 구조는 다음과 같습니다.

1
[head] → [Node{prev, next, T data}] → [Node{...}] → ...

각 Node가 heap에 할당되고, T 외에 두 pointer만큼 메모리가 더 필요합니다. 임베디드에는 부담이 됩니다.

Intrusive container는 구조가 반대입니다.

1
[head] → [T{prev, next, other fields}] → [T{...}] → ...

T 자체에 prev/next pointer가 들어 있어 list node를 별도로 할당하지 않습니다.

1
struct Task {
2
    Task* next;             // intrusive link
3
    int priority;
4
    void (*work)(void);
5
};
6

7
// List는 head pointer만
8
Task* g_pending_head = nullptr;
9

10
void add_task(Task* t) {
11
    t->next = g_pending_head;
12
    g_pending_head = t;
13
}

추가 할당이 0입니다. Linux 커널과 FreeRTOS가 전부 이 패턴을 씁니다.

#Linux 커널 스타일 — `list_head`

Linux 커널의 list.h가 표준 idiom입니다.

1
struct list_head {
2
    list_head* prev;
3
    list_head* next;
4
};
5

6
// 사용 — task에 list_head 임베드
7
struct Task {
8
    list_head link;     // 임베드
9
    int priority;
10
    char name[16];
11
};
12

13
list_head g_pending_list;   // 헤드
14

15
void add_task(Task* t) {
16
    t->link.next = g_pending_list.next;
17
    t->link.prev = &g_pending_list;
18
    g_pending_list.next->prev = &t->link;
19
    g_pending_list.next = &t->link;
20
}
21

22
// list_head에서 Task로 변환
23
#define container_of(ptr, type, member) \
24
    (type*)((char*)(ptr) - offsetof(type, member))
25

26
void iterate() {
27
    for (list_head* p = g_pending_list.next;
28
         p != &g_pending_list;
29
         p = p->next) {
30
        Task* t = container_of(p, Task, link);
31
        // t 사용
32
    }
33
}

container_of 매크로가 핵심 트릭으로, list_head*에서 enclosing struct의 pointer를 계산합니다.

C++에서는 template으로 더 깔끔하게 쓸 수 있습니다.

#C++ Template intrusive list

1
template<typename T, typename T::ListLink T::*LinkMember>
2
class IntrusiveList {
3
    T* head_ = nullptr;
4
    T* tail_ = nullptr;
5

6
public:
7
    void push_front(T* node) {
8
        if (!head_) {
9
            head_ = tail_ = node;
10
            (node->*LinkMember).next = nullptr;
11
            (node->*LinkMember).prev = nullptr;
12
        } else {
13
            (node->*LinkMember).next = head_;
14
            (node->*LinkMember).prev = nullptr;
15
            (head_->*LinkMember).prev = node;
16
            head_ = node;
17
        }
18
    }
19

20
    void erase(T* node) {
21
        auto& link = node->*LinkMember;
22
        if (link.prev) (link.prev->*LinkMember).next = link.next;
23
        else head_ = link.next;
24
        if (link.next) (link.next->*LinkMember).prev = link.prev;
25
        else tail_ = link.prev;
26
    }
27

28
    T* front() const { return head_; }
29

30
    class Iterator {
31
        T* p_;
32
    public:
33
        Iterator(T* p) : p_(p) {}
34
        T& operator*() { return *p_; }
35
        Iterator& operator++() {
36
            p_ = (p_->*LinkMember).next;
37
            return *this;
38
        }
39
        bool operator!=(const Iterator& o) const { return p_ != o.p_; }
40
    };
41

42
    Iterator begin() { return {head_}; }
43
    Iterator end() { return {nullptr}; }
44
};

사용:

1
struct Task {
2
    struct ListLink { Task *prev, *next; };
3
    ListLink pending_link;
4
    ListLink ready_link;
5
    int priority;
6
};
7

8
IntrusiveList<Task, &Task::pending_link> pending;
9
IntrusiveList<Task, &Task::ready_link> ready;
10

11
Task t1, t2;
12
pending.push_front(&t1);
13
pending.push_front(&t2);
14

15
for (auto& t : pending) {
16
    process(t);
17
}

같은 Task가 서로 다른 link를 두면 두 list에 동시에 들어갈 수도 있습니다. 매우 유연한 구조입니다.

#Boost.Intrusive

Boost가 제공하는 intrusive container 라이브러리이며 임베디드 친화적입니다.

1
#include <boost/intrusive/list.hpp>
2

3
namespace bi = boost::intrusive;
4

5
struct Task : public bi::list_base_hook<> {
6
    int priority;
7
};
8

9
using TaskList = bi::list<Task>;
10

11
TaskList g_pending;
12

13
Task t1, t2;
14
g_pending.push_back(t1);
15
g_pending.push_back(t2);
16

17
for (auto& t : g_pending) {
18
    process(t);
19
}

bi::list_base_hook이 prev/next를 포함하고, 상속만 하면 intrusive가 됩니다.

여러 list에 동시에 가입할 수도 있습니다.

1
struct PendingTag;
2
struct ReadyTag;
3

4
struct Task : public bi::list_base_hook<bi::tag<PendingTag>>,
5
              public bi::list_base_hook<bi::tag<ReadyTag>> {
6
    int priority;
7
};
8

9
using PendingList = bi::list<Task, bi::base_hook<bi::list_base_hook<bi::tag<PendingTag>>>>;
10
using ReadyList = bi::list<Task, bi::base_hook<bi::list_base_hook<bi::tag<ReadyTag>>>>;

장점은 다음과 같습니다.

Heap 사용이 0입니다.
추가 메모리가 prev/next만큼만 늘어납니다.
node 자체를 알고 있으면 erase가 O(1)입니다.

#Intrusive vs std::list 비교

구조의 차이를 한눈에 보면 다음과 같습니다.

std::list와 intrusive list 구조 비교

	`std::list<T>`	Intrusive
메모리	T + Node (heap)	T 안에 link (free)
할당	매번 heap alloc	0
Erase	O(n) (iterator로)	O(1) (node 자체로)
다중 list 가입	어려움 (T를 복사)	자연스러움
Type safety	강함	보통 (template으로 강화)
표준	C++11	non-standard (Boost)

임베디드에서는 intrusive가 압도적으로 유리합니다.

#ETL의 intrusive_list

1
#include <etl/intrusive_list.h>
2

3
class Task : public etl::list_link<0> {
4
public:
5
    int priority;
6
};
7

8
using TaskList = etl::intrusive_list<Task, etl::list_link<0>>;
9

10
TaskList tasks;
11
Task t1, t2;
12
tasks.push_back(t1);
13
tasks.push_back(t2);

ETL은 임베디드 친화적이며 Boost보다 가볍습니다.

#다른 intrusive 자료구조

#Intrusive doubly linked list (RB-tree)

1
#include <boost/intrusive/set.hpp>
2

3
struct OrderedTask : public bi::set_base_hook<> {
4
    int priority;
5
    bool operator<(const OrderedTask& o) const { return priority < o.priority; }
6
};
7

8
using TaskSet = bi::set<OrderedTask>;
9
TaskSet sorted_tasks;

RB-tree로 priority가 자동 정렬되고 heap도 쓰지 않습니다.

#Intrusive hash map

1
struct Item : public bi::unordered_set_base_hook<> {
2
    int key;
3
    // ...
4
};
5

6
using ItemMap = bi::unordered_set<Item>;

bucket array는 stack이나 static으로 별도 할당합니다.

#임베디드 — RTOS Task Queue

전형적인 사용처는 RTOS scheduler의 task queue입니다.

1
struct TaskTcb {
2
    TaskTcb* ready_next;     // intrusive ready queue
3
    TaskTcb* delayed_next;   // intrusive delayed queue
4
    uint32_t stack_ptr;
5
    uint32_t state;
6
    uint32_t priority;
7
    uint32_t wakeup_time;
8
    void (*entry)(void*);
9
};
10

11
static TaskTcb* g_ready_head[MAX_PRIORITY];   // priority별 queue
12
static TaskTcb* g_delayed_head;
13

14
void task_make_ready(TaskTcb* t) {
15
    t->ready_next = g_ready_head[t->priority];
16
    g_ready_head[t->priority] = t;
17
}

heap을 쓰지 않으면서 모든 연산이 O(1)입니다. FreeRTOS와 Zephyr 모두 이 패턴을 따릅니다.

#임베디드 — Event Pool

1
struct Event : public bi::list_base_hook<> {
2
    int type;
3
    uint32_t data;
4
};
5

6
ObjectPool<Event, 64> event_pool;
7
bi::list<Event> event_queue;
8

9
void post_event(int type, uint32_t data) {
10
    auto* e = event_pool.allocate();
11
    if (e) {
12
        e->type = type;
13
        e->data = data;
14
        event_queue.push_back(*e);
15
    }
16
}
17

18
void process_events() {
19
    while (!event_queue.empty()) {
20
        auto& e = event_queue.front();
21
        event_queue.pop_front();
22
        handle_event(e);
23
        event_pool.deallocate(&e);
24
    }
25
}

Pool에서 객체를 할당하고 intrusive list로 enqueue하는 방식이 임베디드 event-driven의 표준입니다.

#자주 보는 함정과 안티패턴

#1. Container의 소유권 모호

intrusive list는 node를 소유하지 않으므로 lifetime은 외부에서 관리해야 합니다. list가 소멸해도 node는 해제되지 않습니다.

1
{
2
    Task t;
3
    list.push_back(t);
4
}   // t 소멸 — list에는 dangling pointer

scope를 일치시키거나 명시적으로 erase합니다.

#2. Erase 이전 사용

1
auto* t = list.front();
2
list.pop_front();
3
t->priority;   // OK (node는 살아 있음, list만 없앰)

intrusive 컨테이너는 list와 node가 분리되어 있으므로 위 코드는 안전합니다. 다만 node를 free한 후 사용하면 UB입니다.

#3. Double linking

1
list1.push_back(t);
2
list2.push_back(t);   // 같은 link 사용 — 양쪽 깨짐

서로 다른 link 멤버를 씁니다.

#4. 알맞은 link tag 없음

다중 list에 가입할 때는 각자 다른 tag가 필요합니다.

#5. Const correctness

intrusive container는 node 내부를 변경하므로 const list iteration에서도 non-const node 변경이 가능합니다. 주의가 필요합니다.

#6. Concurrent 수정

intrusive list의 push/pop은 atomic하지 않습니다. multi-task 환경에서는 mutex나 lock-free intrusive list가 필요합니다.

#측정 — std::list vs intrusive

같은 1000개 객체를 enqueue/dequeue한 결과입니다 (STM32F4).

1
std::list<Task>:
2
  push_back: ~150 cycles (heap alloc + node init)
3
  pop_front: ~80 cycles (heap free)
4
  total: ~230 ms (1000 ops × push/pop)
5
  heap usage: ~24 KB (Task + Node)
6

7
intrusive list<Task>:
8
  push_back: ~10 cycles (pointer update)
9
  pop_front: ~10 cycles
10
  total: ~20 ms
11
  heap usage: 0 (Task pool만)

10배 이상 빠르고 heap도 쓰지 않아 임베디드에 적합한 결정적 동작을 보장합니다.

#정리

Intrusive 컨테이너는 객체 안에 list link를 포함하므로 node 별도 할당이 0입니다.
Linux 커널의 list_head와 container_of가 전통적인 패턴입니다.
C++ 라이브러리로는 Boost.Intrusive와 ETL의 intrusive_list가 있습니다.
서로 다른 link를 두면 다중 list 가입이 자연스럽게 가능합니다.
RTOS scheduler, event queue, driver chain에서 표준 도구로 쓰입니다.
컨테이너는 객체를 소유하지 않으므로 lifetime은 외부에서 관리해야 합니다.

#관련 항목

Part 3-01: 동적 할당 없이
Part 3-03: Pool Allocator — pool + intrusive
Part 4-02: ETL 라이브러리
Practical RTOS Internals — RTOS scheduler

#다음 글

Part 4-02: ETL 라이브러리 — 임베디드 STL 대체. heap 없는 vector, map, queue, fsm.

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#한 줄 요약

#어떤 문제를 푸는가

#Linux 커널 스타일 — `list_head`

#C++ Template intrusive list

#Boost.Intrusive

#Intrusive vs std::list 비교

#ETL의 intrusive_list

#다른 intrusive 자료구조

#Intrusive doubly linked list (RB-tree)

#Intrusive hash map

#임베디드 — RTOS Task Queue

#임베디드 — Event Pool

#자주 보는 함정과 안티패턴

#1. Container의 소유권 모호

#2. Erase 이전 사용

#3. Double linking

#4. 알맞은 link tag 없음

#5. Const correctness

#6. Concurrent 수정

#측정 — std::list vs intrusive

#정리

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#Linux 커널 스타일 — list_head

#C++ Template intrusive list

#Boost.Intrusive

#Intrusive vs std::list 비교

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#Intrusive doubly linked list (RB-tree)

#Intrusive hash map

#임베디드 — RTOS Task Queue

#임베디드 — Event Pool

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