Linux内核数据结构：Radix 树

电子工程师 2019-05-14 2075

嵌入式技术

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描述

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：

include/linux/radix-tree.h

lib/radix-tree.c

首先说明一下什么是 radix tree ，Radix tree 是一个压缩 trie， 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| | |+-----------+

+-----------+

|" "|

| |

+------+-----------+------+

+----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，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 :

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

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：

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];};

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：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 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 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 ：

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, }

#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);

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)

#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：

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);

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

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