Linux 内核里的数据结构——基数树

基数树（Radix tree）

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：

include/linux/radix-tree.h

lib/radix-tree.c

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

go

和

cat

的

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——

tags

和

slots

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,            \
}

在

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)

和

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。

链接

Radix tree

Trie

作者：[0xAX] 译者：cposture 校对：Mr小眼儿