正如你所知道的，Linux內(nèi)核提供了許多不同的庫和函數(shù)，它們實現(xiàn)了不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。在這部分，我們將研究其中一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——基數(shù)樹Radix tree。在 Linux 內(nèi)核中，有兩個文件與基數(shù)樹的實現(xiàn)和API相關(guān)：

include/linux/radix-tree.h

lib/radix-tree.c

讓我們先說說什么是 基數(shù)樹 吧?；鶖?shù)樹是一種?壓縮的字典樹compressed trie?，而字典樹是實現(xiàn)了關(guān)聯(lián)數(shù)組接口并允許以 鍵值對 方式存儲值的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這里的鍵通常是字符串，但可以使用任意數(shù)據(jù)類型。字典樹因為它的節(jié)點而與 n叉樹 不同。字典樹的節(jié)點不存儲鍵，而是存儲單個字符的標(biāo)簽。與一個給定節(jié)點關(guān)聯(lián)的鍵可以通過從根遍歷到該節(jié)點獲得。舉個例子：

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

| |

| " " |

| |

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

| |

| |

+----v------+ +-----v-----+

| | | |

| g | | c |

| | | |

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

| |

| |

+----v------+ +-----v-----+

| | | |

| o | | a |

| | | |

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

|

|

+-----v-----+

| |

| t |

| |

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

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(shù)樹 ，它和 字典樹 的不同之處在于，所有只有一個子節(jié)點的中間節(jié)點都被刪除。

Linux 內(nèi)核中的基數(shù)樹是把值映射到整形鍵的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。include/linux/radix-tree.h文件中的以下結(jié)構(gòu)體描述了基數(shù)樹：

struct radix_tree_root {

unsigned int height;

gfp_t gfp_mask;

struct radix_tree_node __rcu *rnode;

};

這個結(jié)構(gòu)體描述了一個基數(shù)樹的根，它包含了3個域成員：

height - 樹的高度;

gfp_mask - 告知如何執(zhí)行動態(tài)內(nèi)存分配;

rnode - 孩子節(jié)點指針.

我們第一個要討論的字段是 gfp_mask ：

底層內(nèi)核的內(nèi)存動態(tài)分配函數(shù)以一組標(biāo)志作為 gfp_mask ，用于描述如何執(zhí)行動態(tài)內(nèi)存分配。這些控制分配進(jìn)程的 GFP_ 標(biāo)志擁有以下值：( GF_NOIO 標(biāo)志)意味著睡眠以及等待內(nèi)存，( __GFP_HIGHMEM 標(biāo)志)意味著高端內(nèi)存能夠被使用，( GFP_ATOMIC 標(biāo)志)意味著分配進(jìn)程擁有高優(yōu)先級并不能睡眠等等。

GFP_NOIO - 睡眠等待內(nèi)存

__GFP_HIGHMEM - 高端內(nèi)存能夠被使用;

GFP_ATOMIC - 分配進(jìn)程擁有高優(yōu)先級并且不能睡眠;

等等。

下一個字段是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];

};

這個結(jié)構(gòu)體包含的信息有父節(jié)點中的偏移以及到底端(葉節(jié)點)的高度、子節(jié)點的個數(shù)以及用于訪問和釋放節(jié)點的字段成員。這些字段成員描述如下：

path - 父節(jié)點中的偏移和到底端(葉節(jié)點)的高度

count - 子節(jié)點的個數(shù);

parent - 父節(jié)點指針;

private_data - 由樹的用戶使用;

rcu_head - 用于釋放節(jié)點;

private_list - 由樹的用戶使用;

radix_tree_node 的最后兩個成員—— tags 和 slots 非常重要且令人關(guān)注。Linux 內(nèi)核基數(shù)樹的每個節(jié)點都包含了一組指針槽slots，槽里存儲著指向數(shù)據(jù)的指針。在Linux內(nèi)核基數(shù)樹的實現(xiàn)中，空槽存儲的是 NULL 。Linux內(nèi)核中的基數(shù)樹也支持標(biāo)簽tags，它與 radix_tree_node 結(jié)構(gòu)體的 tags 字段相關(guān)聯(lián)。有了標(biāo)簽，我們就可以對基數(shù)樹中存儲的記錄以單個比特位bit進(jìn)行設(shè)置。

既然我們了解了基數(shù)樹的結(jié)構(gòu)，那么該是時候看一下它的API了。

Linux內(nèi)核基數(shù)樹API

我們從結(jié)構(gòu)體的初始化開始。有兩種方法初始化一個新的基數(shù)樹。第一種是使用 RADIX_TREE 宏：

RADIX_TREE(name, gfp_mask);

正如你所看到的，我們傳遞了 name 參數(shù)，所以通過 RADIX_TREE 宏，我們能夠定義和初始化基數(shù)樹為給定的名字。RADIX_TREE 的實現(xiàn)很簡單：

#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 宏的開始，我們使用給定的名字定義 radix_tree_root 結(jié)構(gòu)體實例，并使用給定的 mask 調(diào)用 RADIX_TREE_INIT 宏。 而 RADIX_TREE_INIT 宏則是使用默認(rèn)值和給定的mask對 radix_tree_root 結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了初始化。

第二種方法是手動定義radix_tree_root結(jié)構(gòu)體，并且將它和mask傳給 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 宏的定義如下:

#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樣，INIT_RADIX_TREE 宏使用默認(rèn)值和給定的 mask 完成初始化工作。

接下來是用于向基數(shù)樹插入和刪除數(shù)據(jù)的兩個函數(shù)：

radix_tree_insert;

radix_tree_delete;

第一個函數(shù) radix_tree_insert 需要3個參數(shù)：

基數(shù)樹的根;

索引鍵;

插入的數(shù)據(jù);

radix_tree_delete 函數(shù)需要和 radix_tree_insert 一樣的一組參數(shù)，但是不需要傳入要刪除的數(shù)據(jù)。

基數(shù)樹的搜索以兩種方法實現(xiàn)：

radix_tree_lookup;

radix_tree_gang_lookup;

radix_tree_lookup_slot.

第一個函數(shù)radix_tree_lookup需要兩個參數(shù)：

基數(shù)樹的根;

索引鍵;

這個函數(shù)嘗試在樹中查找給定的鍵，并返回和該鍵相關(guān)聯(lián)的記錄。第二個函數(shù) radix_tree_gang_lookup 有以下的函數(shù)簽名：

unsigned int radix_tree_gang_lookup(struct radix_tree_root *root,

void **results,

unsigned long first_index,

unsigned int max_items);

它返回的是記錄的個數(shù)。 results 中的結(jié)果，按鍵排序，并從第一個索引開始。返回的記錄個數(shù)將不會超過 max_items 的值。

最后一個函數(shù)radix_tree_lookup_slot將會返回包含數(shù)據(jù)的指針槽。

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