理解linux内核中的rbtree

原創

2020-02-22 15:22

red-blacktree（RB树）是一种平衡二叉树，它主要用于存储或者说索引可排序的键

  值对数据。RB树（红黑树）与radix树和hash表都不同。radix树是一种比较适合用于
   存储稀疏的数据集而且将用一个大整数进行插入，删除，查找的操作基础。而hash表
   并不是以某种排序顺序进行存储，而且必须指定大小和hash函数。

   RB树与AVL树很相似，但是比AVL树有更好的插入和删除最坏情况的时间复杂度，以及
    O(logn)的最坏查找时间复杂度。

    引用:
   在Linux中有很多地方用到了RD树。anticipatory, deadline, 和CFQ I/O调度都使用
   的是RB树进行请求跟踪，还有CD/DVD驱动的包管理也是如此。
   高精度计时器（high-resolution timer）使用RB树组织定时请求。
   EXT3文件系统也使用RB树来管理目录。
   虚拟存储管理系统也是有RB树进行VMAs（Virtual Memory Areas）的管理。
   当然还有文件描述符，密码钥匙，“等级令牌桶”调度的网络数据包都是用RB数据进
   行组织和管理的。

    相关资料：
    Linux WeeklyNews article on red-black trees
   http://lwn.net/Articles/184495/
    Wikipediaentry on red-black trees
   http://en.wikipedia.org/wiki/Red-black_tree

   可见RB树（红黑树）在Linux内核中的重要性。

Linux内核的RB树实现
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   在Linux内核源代码中rb树的实现在lib/rbtree.c文件中，可以通过
    #include"linux/rbtree.h"进行使用。

   在Linux内核中的RB树实现与传统的实现方式有些不同。它对针对内核对速度的需要做
   了些优化。每一个rb_node节点是嵌入在用RB树进行组织的数据结构中，而不是用
   rb_node指针进行数据结构的组织。

创建一棵RB树
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   在RB树里的数据节点包含了一个rb_node数据结构节点。如下：
    structmytype {
       struct rb_node node;
       char *keystring;
    };

   可以通过container_of宏取得包含了rb_node的数据结构。也可以通过
   rb_entry(node,type,member)取得。
    其实是#definerb_entry(node,type,member) container_of(node,type,member)

   这里顺便说一下如何通过container_of取得包含rb_node的数据结构指针：
   在Linux内核代码里有这样的宏定义：
    #definecontainer_of(ptr, type, member) ({\
    consttypeof( ((type *)0)->member ) *__mptr =(ptr);\
    (type *)((char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

    #defineoffsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER)

    那么对于structmytype，如何通过其成员node来取得走首地址呢：
   我们肯定已经知道node的地址，假设为pnode;
    structmytype* x = rb_entry(pnode, struct mytype, node);
   意思是，取得pnode所被包含的数据结构对象的首地址，pnode是指向struct mytype的
   成员node的指针。
   宏替换完后就是这个样子：
    ({
       const typeof( ((struct mytype *)0)->node ) *__mptr =(pnode);
       (struct mytype *)((char *)__mptr-((size_t)&((structmytype*)0)->node));
    })

   typeof取得struct mytype中node成员的类型，用这个类型定义一个新的指针，把
   pnode的值赋给它，在这里起到了类型检查的作用。
   offsetof(type,member)是取得member在type对象中相对于此对象首地址的偏移量。
   那么用__mptr减去这个偏移量就得到了type对象的起始地址。也就得到了把rb_node
   作为嵌入的管理数据结构的对象起始地址。

    x = y -offset
    ----------<--x
   |       |
   |       |
    |--------|<--offset  <--y
   |