Linux 內核裡的數據結構——基數樹

基數樹（Radix tree）

Trie

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：

• include/linux/radix-tree.h
• lib/radix-tree.c

讓我們先說說什麼是 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。這裡的鍵通常是字符串，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：

1. +-----------+
2. ||
3. |" "|
4. ||
5. +------+-----------+------+
6. ||
7. ||
8. +----v------++-----v-----+
9. ||||
10. | g || c |
11. ||||
12. +-----------++-----------+
13. ||
14. ||
15. +----v------++-----v-----+
16. ||||
17. | o || a |
18. ||||
19. +-----------++-----------+
20. |
21. |
22. +-----v-----+
23. ||
24. | t |
25. ||
26. +-----------+

因此在這個例子中，我們可以看到一個有著兩個鍵 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：

1. struct radix_tree_root {
2. unsignedint height;
3. gfp_t gfp_mask;
4. struct radix_tree_node __rcu *rnode;
5. };

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)意味著睡眠以及等待內存，( __GFP_HIGHMEM 標志)意味著高端內存能夠被使用，( GFP_ATOMIC 標志)意味著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：

1. struct radix_tree_node {
2. unsignedint path;
3. unsignedint count;
4. union{
5. struct{
6. struct radix_tree_node *parent;
7. void*private_data;
8. };
9. struct rcu_head rcu_head;
10. };
11. /* For tree user */
12. struct list_head private_list;
13. void __rcu *slots[RADIX_TREE_MAP_SIZE];
14. unsignedlong tags[RADIX_TREE_MAX_TAGS][RADIX_TREE_TAG_LONGS];
15. };

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 的最後兩個成員—— 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 ），槽裡存儲著指向數據的指針。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，那麼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：

1. 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：

1. #define RADIX_TREE(name, mask) \
2. struct radix_tree_root name = RADIX_TREE_INIT(mask)
3. #define RADIX_TREE_INIT(mask){ \
4. .height =0, \
5. .gfp_mask =(mask), \
6. .rnode = NULL, \
7. }

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：

1. struct radix_tree_root my_radix_tree;
2. INIT_RADIX_TREE(my_tree, gfp_mask_for_my_radix_tree);

INIT_RADIX_TREE 宏的定義如下:

1. #define INIT_RADIX_TREE(root, mask) \
2. do{ \
3. (root)->height =0; \
4. (root)->gfp_mask =(mask); \
5. (root)->rnode = NULL; \
6. }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：

1. unsignedint radix_tree_gang_lookup(struct radix_tree_root *root,
2. void**results,
3. unsignedlong first_index,
4. unsignedint 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。

最後一個函數radix_tree_lookup_slot將會返回包含數據的指針槽。

鏈接

• Radix tree
• Trie

via: https://github.com/0xAX/linux-insides/blob/master/DataStructures/radix-tree.md

作者：[0xAX] 譯者：cposture 校對：Mr小眼兒

本文由 LCTT 原創翻譯，Linux中國 榮譽推出