Linux 內核里的數據結構 —— 基數樹
基數樹 Radix tree
正如你所知道的，Linux內核提供了許多不同的庫和函數，它們實現了不同的數據結構和算法。在這部分，我們將研究其中一種數據結構——基數樹 Radix tree。在 Linux 內核中，有兩個文件與基數樹的實現和API相關：
讓我們先說說什么是 基數樹 吧。基數樹是一種 壓縮的字典樹 (compressed trie) ，而字典樹是實現了關聯數組接口並允許以 鍵值對 方式存儲值的一種數據結構。這里的鍵通常是字符串，但可以使用任意數據類型。字典樹因為它的節點而與 n叉樹 不同。字典樹的節點不存儲鍵，而是存儲單個字符的標簽。與一個給定節點關聯的鍵可以通過從根遍歷到該節點獲得。舉個例子：
+-----------+
| |
| " " |
| |
+------+-----------+------+
| |
| |
+----v------+ +-----v-----+
| | | |
| g | | c |
| | | |
+-----------+ +-----------+
| |
| |
+----v------+ +-----v-----+
| | | |
| o | | a |
| | | |
+-----------+ +-----------+
|
|
+-----v-----+
| |
| t |
| |
+-----------+
因此在這個例子中，我們可以看到一個有着兩個鍵 go 和 cat 的 字典樹 。壓縮的字典樹也叫做 基數樹 ，它和 字典樹 的不同之處在於，所有只有一個子節點的中間節點都被刪除。
Linux 內核中的基數樹是把值映射到整形鍵的一種數據結構。include/linux/radix-tree.h文件中的以下結構體描述了基數樹：
struct radix_tree_root {
unsigned int height;
gfp_t gfp_mask;
struct radix_tree_node __rcu *rnode;
};
這個結構體描述了一個基數樹的根，它包含了3個域成員：
height- 樹的高度;gfp_mask- 告知如何執行動態內存分配;rnode- 孩子節點指針.
我們第一個要討論的字段是 gfp_mask ：
底層內核的內存動態分配函數以一組標志作為 gfp_mask ，用於描述如何執行動態內存分配。這些控制分配進程的 GFP_ 標志擁有以下值：( GF_NOIO 標志)意味着睡眠以及等待內存，( __GFP_HIGHMEM 標志)意味着高端內存能夠被使用，( GFP_ATOMIC 標志)意味着分配進程擁有高優先級並不能睡眠等等。
GFP_NOIO- 睡眠等待內存__GFP_HIGHMEM- 高端內存能夠被使用;GFP_ATOMIC- 分配進程擁有高優先級並且不能睡眠;
等等。
下一個字段是rnode：
struct radix_tree_node {
unsigned int path;
unsigned int count;
union {
struct {
struct radix_tree_node *parent;
void *private_data;
};
struct rcu_head rcu_head;
};
/* For tree user */
struct list_head private_list;
void __rcu *slots[RADIX_TREE_MAP_SIZE];
unsigned long tags[RADIX_TREE_MAX_TAGS][RADIX_TREE_TAG_LONGS];
};
這個結構體包含的信息有父節點中的偏移以及到底端(葉節點)的高度、子節點的個數以及用於訪問和釋放節點的字段成員。這些字段成員描述如下：
path- 父節點中的偏移和到底端(葉節點)的高度count- 子節點的個數;parent- 父節點指針;private_data- 由樹的用戶使用;rcu_head- 用於釋放節點;private_list- 由樹的用戶使用;
radix_tree_node 的最后兩個成員—— tags 和 slots 非常重要且令人關注。Linux 內核基數樹的每個節點都包含了一組指針槽( slots )，槽里存儲着指向數據的指針。在Linux內核基數樹的實現中，空槽存儲的是 NULL 。Linux內核中的基數樹也支持標簽( tags )，它與 radix_tree_node 結構體的 tags 字段相關聯。有了標簽，我們就可以對基數樹中存儲的記錄以單個比特位( bit )進行設置。
既然我們了解了基數樹的結構，那么該是時候看一下它的API了。
Linux內核基數樹API
我們從結構體的初始化開始。有兩種方法初始化一個新的基數樹。第一種是使用 RADIX_TREE 宏：
RADIX_TREE(name, gfp_mask);
正如你所看到的，我們傳遞了 name 參數，所以通過 RADIX_TREE 宏，我們能夠定義和初始化基數樹為給定的名字。RADIX_TREE 的實現很簡單：
#define RADIX_TREE(name, mask) \
struct radix_tree_root name = RADIX_TREE_INIT(mask)
#define RADIX_TREE_INIT(mask) { \
.height = 0, \
.gfp_mask = (mask), \
.rnode = NULL, \
}
在 RADIX_TREE 宏的開始，我們使用給定的名字定義 radix_tree_root 結構體實例，並使用給定的 mask 調用 RADIX_TREE_INIT 宏。 而 RADIX_TREE_INIT 宏則是使用默認值和給定的mask對 radix_tree_root 結構體進行了初始化。
第二種方法是手動定義radix_tree_root結構體，並且將它和mask傳給 INIT_RADIX_TREE 宏：
struct radix_tree_root my_radix_tree;
INIT_RADIX_TREE(my_tree, gfp_mask_for_my_radix_tree);
INIT_RADIX_TREE 宏的定義如下:
#define INIT_RADIX_TREE(root, mask) \
do { \
(root)->height = 0; \
(root)->gfp_mask = (mask); \
(root)->rnode = NULL; \
} while (0)
和RADIX_TREE_INIT宏所做的初始化工作一樣，INIT_RADIX_TREE 宏使用默認值和給定的 mask 完成初始化工作。
接下來是用於向基數樹插入和刪除數據的兩個函數：
radix_tree_insert;radix_tree_delete;
第一個函數 radix_tree_insert 需要3個參數：
- 基數樹的根;
- 索引鍵;
- 插入的數據;
radix_tree_delete 函數需要和 radix_tree_insert 一樣的一組參數，但是不需要傳入要刪除的數據。
基數樹的搜索以兩種方法實現：
radix_tree_lookup;radix_tree_gang_lookup;radix_tree_lookup_slot.
第一個函數radix_tree_lookup需要兩個參數：
- 基數樹的根;
- 索引鍵;
這個函數嘗試在樹中查找給定的鍵，並返回和該鍵相關聯的記錄。第二個函數 radix_tree_gang_lookup 有以下的函數簽名：
unsigned int radix_tree_gang_lookup(struct radix_tree_root *root,
void **results,
unsigned long first_index,
unsigned int max_items);
它返回的是記錄的個數。 results 中的結果，按鍵排序，並從第一個索引開始。返回的記錄個數將不會超過 max_items 的值。
最后一個函數radix_tree_lookup_slot將會返回包含數據的指針槽。
鏈接
via: https://github.com/0xAX/linux-insides/blob/master/DataStructures/radix-tree.md