Linux 内核数据结构:Radix 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。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:

首先说明一下什么是 radix tree ,Radix tree 是一个 压缩 trietrie 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:

这个例子中,我们可以看到 trie 所存储的关键字信息 gocat,压缩 trie 或 radix treetrie 所不同的是,对于只有一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 :

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:内存申请的标识。
  • rnode:子节点指针。

这里首先要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。

接下来说的节结构体成员是 rnode

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:与父节点的偏移以及到树底端的高度
  • 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 tagsslots 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 radix 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

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:

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_INITradix_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。

INIT_RADIX_TREE 宏定义:

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:

  • 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:

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。

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关于作者:Alick

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