Centos系统下载大全 | Redhat系统下载大全 | Windows2012系统下载大全 | Windows2008系统下载大全| CMS教程 | 网站地图 51运维网-专注Linux/Unix系统安全运维!
当前位置:51运维网 > 内核 > Linux内核 > 正文

Linux内核里的数据结构——基数树

时间:2016-05-25 00:25 来源:网络整理 作者:51ou.com 阅读:

Linux内核里的数据结构——基数树

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。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:https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/radix-tree.h
lib/radix-tree.c:https://github.com/torvalds/linux/blob/master/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  ,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:

Linux内核里的数据结构——基数树

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(https://github.com/torvalds/linux/blob/master/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 intheight;
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 intpath;
unsigned intcount;
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,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,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。


本文永久更新地址:

感谢您对【51运维网 http://www.51ou.com/】的支持,我们为您免费提供《Linux内核里的数据结构——基数树》技术文章,《Linux内核里的数据结构——基数树》详细使用和说明,有时《Linux内核里的数据结构——基数树》可能不完善、敬请谅解!如果《Linux内核里的数据结构——基数树》有错误请给我们留言,我们将尽快修复文章错误,如果您觉得本站不错,请分享给周围的朋友!谢谢!

顶一下
(1)
100%
踩一下
(0)
0%
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
验证码:点击我更换图片