linux 内存管理 红黑树(未读)

阐述Linux内存管理:红黑树

2009-12-11 10:02 佚名 51CTO 
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《linux 内存管理 红黑树(未读)》

很多的人都开始学习Linux操作系统。当我们学习Linux时,会遇到很多的问题。最近看Linux内存管理,看到红黑树这一部分甚为头大,于是了解了一下红黑树的基本知识。详细讲解一下Linux内存管理。

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很多的人都开始学习Linux操作系统。当我们学习Linux时,会遇到很多的问题。最近看Linux内存管理,看到红黑树这一部分甚为头大,于是了解了一下红黑数的基本知识。详细讲解一下Linux内存管理。

红黑树是平衡二叉树的一种,它有很好的性质,树中的结点都是有序的,而且因为它本身就是平衡的,所以查找也不会出现非常恶劣的情况,基于二叉树的操作的时间复杂度是O(log(N))。Linux内核在管理vm_area_struct时就是采用了红黑树来维护内存块的。

先到include/Linux/rbtree.h中看一下红黑树的一些定义,如下:

  1. struct rb_node  
  2. {  
  3. struct rb_node* rb_parent; 该节点的父节点  
  4. int rb_color;  该节点的颜色  
  5. #define RB_RED 0  
  6. #define RB_BLACK 1  
  7. struct rb_node *rb_right; 该节点的右子节点  
  8. struct rb_node *rb_left;  该节点的左子节点  
  9. } __attribute__((aligned(sizeof(long)))); 

struct rb_root只是struct rb_node*的一个包装,这样做的好处是看起来不用传递二级指针了。不错,很简单。

测试颜色和设置颜色也是水到渠成的事了。需要特别指出的是下面的一个内联函数:
static inline void rb_link_node(struct rb_node * node, struct rb_node * parent, struct rb_node ** rb_link);

它把parent设为node的父结点,并且让rb_link指向node。

我们把重点集中在lib/rbtree.c上,看看一些和红黑树相关的重要算法。开始之前我们一起回忆一下红黑树的规则:

1. 每个结点要么是红色要么是黑色;
2. 根结点必须是黑色;
3. 红结点如果有孩子,其孩子必须都是黑色;
4. 从根结点到叶子的每条路径必须包含相同数目的黑结点。
5、每个树节点N的左孩子树上的所有元素都是排在N之前,右孩子树子上的所有元素都是排在N之后

这四条规则可以限制一棵排序树是平衡的。

__rb_rotate_left是把以root为根的树中的node结点进行左旋,__rb_rotate_right是进行右旋。这两个函数是为后面的插入和删除服务,而不是为外部提供接口。

新插入的结点都设为叶子,染成红色,插入后如果破坏了上述规则,通过调整颜色和旋转可以恢复,二叉树又重新平衡。插入操作的接口函数是
void rb_insert_color(struct rb_node *node, struct rb_root *root);

它把已确定父结点的node结点融入到以root为根的红黑树中,具体算法的分析可以参考[1]中第14.3节,这里的实现和书中的讲解几乎完全一样。怎么确定node的父结点应该在调用rb_insert_color之前通过手工迭带完成。值得指出的一点是,虽然插入操作需要一个循环迭代,但是总的旋转次数不会超过两次!所以效率还是很乐观的。

删除操作多多少少都有点麻烦,它要先执行像普通二叉查找树的“删除”,然后根据删除结点的颜色来判断是否执行进一步的操作。删除的接口是:
void rb_erase(struct rb_node *node, struct rb_root *root);

其实它并没有真正删除node,而只是让它和以root为根的树脱离关系,最后它还要判断是否调用__rb_erase_color来调整。具体算法的讲解看参考[1]中第13.3和14.4节,__rb_erase_color对应书中的RB-DELETE-FIXUP,此处的实现和书上也基本上一致。

其余的几个接口就比较简单了。
struct rb_node *rb_first(struct rb_root *root);

在以root为根的树中找出并返回最小的那个结点,只要从根结点一直向左走就是了。
struct rb_node *rb_last(struct rb_root *root);

是找出并返回最大的那个,一直向右走。
struct rb_node *rb_next(struct rb_node *node);

返回node在树中的后继,这个稍微复杂一点。如果node的右孩子不为空,它只要返回node的右子树中最小的结点即可;如果为空,它要向上查找,找到迭带结点是其父亲的左孩子的结点,返回父结点。如果一直上述到了根结点,返回NULL。
struct rb_node *rb_prev(struct rb_node *node);

返回node的前驱,和rb_next中的操作对称。
void rb_replace_node(struct rb_node *victim, struct rb_node *new, struct rb_root *root);

用new替换以root为根的树中的victim结点。
因为红黑树的这些良好性质和实现中接口的简易性,它被广泛应用到内核编程中,大大提高了内核的效率。

通过本文的介绍你就能熟练掌握Linux内存管理。

    原文作者:算法小白
    原文地址: https://blog.csdn.net/searchwang/article/details/37997625
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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