Linux内核文档之rbtree.txt

http://blog.sina.com.cn/s/blog_7be8a2150100twof.html

red-black树是什么样的树，为什么需要red-black树？

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red-black tree（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(log n)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 Weekly News article on red-black trees
http://lwn.net/Articles/184495/
Wikipedia entry 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：

struct mytype {

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#define rb_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：

#define container_of(ptr, type, member) ({/

const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);/

(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

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

那么对于struct mytype，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;

struct mytype* 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)&((struct mytype*)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

|
|

在创建一棵RB树的时候可以：

struct rb_root mytree = RB_ROOT;

在RB树中查找一个值

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因为RB树是一种有序树，树中所有数据在构建树的时候已经按一定的规则进行了排序，

在节点的左子树中的值都小于节点的值，节点右子树的值都大于节点的值，所以查找

树相对较快。

例：

struct mytype *my_search(struct rb_root *root, char *string)

{

struct rb_node *node = root->rb_node;

while (node) {

struct mytype *data = container_of(node, struct mytype, node);

int result;

result = strcmp(string, data->keystring);

if (result < 0)

node = node->rb_left;

else if (result > 0)

node = node->rb_right;

else

return data;

}

return NULL;

}

向RB树中插入一个数据

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在插入一个数据之前先要查找到适合插入的位置，然后将节点加入到树中并将树调整

到平衡状态。

int my_insert(struct rb_root *root, struct mytype *data)

{

struct rb_node **new = &(root->rb_node), *parent = NULL;

while (*new) {

struct mytype *this = container_of(*new, struct mytype, node);

int result = strcmp(data->keystring, this->keystring);

parent = *new;

if (result < 0)

new = &((*new)->rb_left);

else if (result > 0)

new = &((*new)->rb_right);

else

return FALSE;

}

rb_link_node(data->node, parent, new);

rb_insert_color(data->node, root);

return TRUE;

}

删除一个数据节点

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struct mytype *data = mysearch(mytree, "walrus");

if (data) {

rb_erase(data->node, mytree);

myfree(data);

}

可以通过调用

void rb_replace_node(struct rb_node *old, struct rb_node *new,

struct rb_root *tree);

来替换一个节点，但是替换完成后并不会对RB树做任何调整，所以如果新节点的值与

被替换的值有所不同时，可能会出现问题。