Linux内核中的数据结构

基数树

正如你所知道的 Linux 内核通过许多不同库以及函数提供各种数据结构以及算法实现。 这个部分我们将介绍其中一个数据结构 Radix tree。Linux 内核中有两个文件与 radix tree 的实现和API相关：

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

首先说明一下什么是 radix tree 。Radix tree 是一种 压缩 trie，其中 trie 是一种通过保存关联数组（associative array）来提供 关键字-值（key-value） 存储与查找的数据结构。通常关键字是字符串，不过也可以是其他数据类型。

trie 结构的节点与 n-tree 不同，其节点中并不存储关键字，取而代之的是存储单个字符标签。关键字查找时，通过从树的根开始遍历关键字相关的所有字符标签节点，直至到达最终的叶子节点。下面是个例子：

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

这个例子中，我们可以看到 trie 所存储的关键字信息 go 与 cat，压缩 trie 或 radix tree 与 trie 所不同的是，所有只存在单个孩子的中间节点将被压缩。

Linux 内核中的 Radix 树将值映射为整型关键字，Radix 的数据结构定义在 include/linux/radix-tree.h 文件中 :

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

上面这个是 radix 树的 root 节点的结构体，它包括三个成员：

• height - 从叶节点向上计算出的树高度。
• gfp_mask - 内存分配标识。
• rnode - 子节点指针。

这里我们先讨论的结构体成员是 gfp_mask :

Linux 底层的内存申请接口需要提供一类标识（flag） - gfp_mask ，用于描述内存申请的行为。这个以 GFP_ 前缀开头的内存申请控制标识主要包括，GFP_NOIO 禁止所有IO操作但允许睡眠等待内存，__GFP_HIGHMEM 允许申请内核的高端内存，GFP_ATOMIC 高优先级申请内存且操作不允许被睡眠。

接下来说的结构体成员是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];
};

这个结构体中包括这几个内容，节点与父节点的偏移以及到树底端的高度，子节点的个数，节点的存储数据域，具体描述如下：

• path - 从叶节点
• count - 子节点的个数。
• parent - 父节点的指针。
• private_data - 存储数据内容缓冲区。
• rcu_head - 用于节点释放的RCU链表。
• private_list - 存储数据。

结构体 radix_tree_node 的最后两个成员 tags 与 slots 是非常重要且需要特别注意的。每个 Radix 树节点都可以包括一个指向存储数据指针的 slots 集合，空闲 slots 的指针指向 NULL。 Linux 内核的 Radix 树结构体中还包含用于记录节点存储状态的标签 tags 成员，标签通过位设置指示 Radix 树的数据存储状态。

至此，我们了解到 radix 树的结构，接下来看一下 radix 树所提供的 API。

Linux 内核基数树 API

我们从数据结构的初始化开始看，radix 树支持两种方式初始化。

第一个是使用宏 RADIX_TREE ：

RADIX_TREE(name, gfp_mask);
`

正如你看到，只需要提供 name 参数，就能够使用 RADIX_TREE 宏完成 radix 的定义以及初始化，RADIX_TREE 宏的实现非常简单：

#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 宏首先使用 name 定义了一个 radix_tree_root 实例并用 RADIX_TREE_INIT 宏带参数 mask 进行初始化。宏 RADIX_TREE_INIT 将 radix_tree_root 初始化为默认属性并将 gfp_mask 初始化为入参 mask 。 第二种方式是手工定义 radix_tree_root 变量，之后再使用 mask 调用 INIT_RADIX_TREE 宏对变量进行初始化。

struct radix_tree_root my_radix_tree;
INIT_RADIX_TREE(my_tree, gfp_mask_for_my_radix_tree);

INIT_RADIX_TREE 宏定义：

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

宏 INIT_RADIX_TREE 所初始化的属性与 RADIX_TREE_INIT 一致

接下来是 radix 树的节点插入以及删除，这两个函数：

• radix_tree_insert;
• radix_tree_delete.

第一个函数 radix_tree_insert 需要三个入参：

• radix 树 root 节点结构
• 索引关键字
• 需要插入存储的数据

第二个函数 radix_tree_delete 除了不需要存储数据参数外，其他与 radix_tree_insert 一致。

radix 树的查找实现有以下几个函数：The search in a radix tree implemented in two ways:

• 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：

• radix 树 root 节点结构
• 索引关键字

这个函数通过给定的关键字查找 radix 树，并返关键字所对应的结点。

第二个函数 radix_tree_gang_lookup 具有以下特征：

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

函数返回查找到记录的条目数，并根据关键字进行排序，返回的总结点数不超过入参 max_items 的大小。

最后一个函数 radix_tree_lookup_slot 返回结点 slot 中所存储的数据。

链接

• Radix tree
• Trie