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Linux 内核里的数据结构——基数树

基数树 Radix tree

Linux 内核里的数据结构——基数树

正如你所知道的,Linux内核提供了许多不同的库和函数,它们实现了不同的数据结构和算法。在这部分,我们将研究其中一种数据结构—— 基数树 Radix tree 。在 Linux 内核中,有两个文件与基数树的实现和API相关:

让我们先说说什么是 基数树 吧。基数树是一种 压缩的字典树 compressed trie ,而 字典树 是实现了关联数组接口并允许以 键值对 方式存储值的一种数据结构。这里的键通常是字符串,但可以使用任意数据类型。字典树因为它的节点而与 n叉树 不同。字典树的节点不存储键,而是存储单个字符的标签。与一个给定节点关联的键可以通过从根遍历到该节点获得。举个例子:

               +-----------+                |           |                |    " "    |                |           |         +------+-----------+------+         |                         |         |                         |    +----v------+            +-----v-----+    |           |            |           |    |    g      |            |     c     |    |           |            |           |    +-----------+            +-----------+         |                         |         |                         |    +----v------+            +-----v-----+    |           |            |           |    |    o      |            |     a     |    |           |            |           |    +-----------+            +-----------+                                   |                                   |                             +-----v-----+                             |           |                             |     t     |                             |           |                             +-----------+ 

因此在这个例子中,我们可以看到一个有着两个键 gocat字典树 。压缩的字典树也叫做 基数树 ,它和 字典树 的不同之处在于,所有只有一个子节点的中间节点都被删除。

Linux 内核中的基数树是把值映射到整形键的一种数据结构。 include/linux/radix-tree.h 文件中的以下结构体描述了基数树:

struct radix_tree_root {          unsigned int            height;          gfp_t                   gfp_mask;          struct radix_tree_node  __rcu *rnode; }; 

这个结构体描述了一个基数树的根,它包含了3个域成员:

  • height – 树的高度;
  • gfp_mask – 告知如何执行动态内存分配;
  • rnode – 孩子节点指针.

我们第一个要讨论的字段是 gfp_mask

底层内核的内存动态分配函数以一组标志作为 gfp_mask ,用于描述如何执行动态内存分配。这些控制分配进程的 GFP_ 标志拥有以下值:( GF_NOIO 标志)意味着睡眠以及等待内存,( __GFP_HIGHMEM 标志)意味着高端内存能够被使用,( GFP_ATOMIC 标志)意味着分配进程拥有高优先级并不能睡眠等等。

  • GFP_NOIO – 睡眠等待内存
  • __GFP_HIGHMEM – 高端内存能够被使用;
  • GFP_ATOMIC – 分配进程拥有高优先级并且不能睡眠;

等等。

下一个字段是 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]; }; 

这个结构体包含的信息有父节点中的偏移以及到底端(叶节点)的高度、子节点的个数以及用于访问和释放节点的字段成员。这些字段成员描述如下:

  • path – 父节点中的偏移和到底端(叶节点)的高度
  • count – 子节点的个数;
  • parent – 父节点指针;
  • private_data – 由树的用户使用;
  • rcu_head – 用于释放节点;
  • private_list – 由树的用户使用;

radix_tree_node 的最后两个成员—— tagsslots 非常重要且令人关注。Linux 内核基数树的每个节点都包含了一组 指针槽 slots ,槽里存储着指向数据的指针。在Linux内核基数树的实现中,空槽存储的是 NULL 。Linux内核中的基数树也支持 标签 tags ,它与 radix_tree_node 结构体的 tags 字段相关联。有了标签,我们就可以对基数树中存储的记录以单个 比特位 bit 进行设置。

既然我们了解了基数树的结构,那么该是时候看一下它的API了。

Linux内核基数树API

我们从结构体的初始化开始。有两种方法初始化一个新的基数树。第一种是使用 RADIX_TREE 宏:

RADIX_TREE(name, gfp_mask); 

正如你所看到的,我们传递了 name 参数,所以通过 RADIX_TREE 宏,我们能够定义和初始化基数树为给定的名字。 RADIX_TREE 的实现很简单:

#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,            / } 

RADIX_TREE 宏的开始,我们使用给定的名字定义 radix_tree_root 结构体实例,并使用给定的 mask 调用 RADIX_TREE_INIT 宏。 而 RADIX_TREE_INIT 宏则是使用默认值和给定的mask对 radix_tree_root 结构体进行了初始化。

第二种方法是手动定义 radix_tree_root 结构体,并且将它和mask传给 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 宏的定义如下:

#define INIT_RADIX_TREE(root, mask)  / do {                                 /         (root)->height = 0;          /         (root)->gfp_mask = (mask);   /         (root)->rnode = NULL;        / } while (0) 

RADIX_TREE_INIT 宏所做的初始化工作一样, INIT_RADIX_TREE 宏使用默认值和给定的 mask 完成初始化工作。

接下来是用于向基数树插入和删除数据的两个函数:

  • radix_tree_insert ;
  • radix_tree_delete ;

第一个函数 radix_tree_insert 需要3个参数:

  • 基数树的根;
  • 索引键;
  • 插入的数据;

radix_tree_delete 函数需要和 radix_tree_insert 一样的一组参数,但是不需要传入要删除的数据。

基数树的搜索以两种方法实现:

  • radix_tree_lookup ;
  • radix_tree_gang_lookup ;
  • radix_tree_lookup_slot .

第一个函数 radix_tree_lookup 需要两个参数:

  • 基数树的根;
  • 索引键;

这个函数尝试在树中查找给定的键,并返回和该键相关联的记录。第二个函数 radix_tree_gang_lookup 有以下的函数签名:

unsigned int radix_tree_gang_lookup(struct radix_tree_root *root,                                     void **results,                                     unsigned long first_index,                                     unsigned int max_items); 

它返回的是记录的个数。 results 中的结果,按键排序,并从第一个索引开始。返回的记录个数将不会超过 max_items 的值。

最后一个函数 radix_tree_lookup_slot 将会返回包含数据的指针槽。

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