【Kernel】内核数据结构之映射（v5.15.10）
一、概念
- 映射常称为关联数组，是一个由唯一键组成的集合，而每个键必然关联一个特定的值。键到值的关联关系称为映射。映射至少支持三个操作：add(key,value) remove(key) value = Lookup(key) 映射可以通过散列表和二叉搜索树实现。
二、IDR简介
系统许多资源都用整数 ID 来标识，如进程 ID、文件描述符 ID、IPC ID 等；资源信息 通常存放在对应的数据结构中 (如进程信息存放在 task_struct 中、ipc 信息存放在 ipc_perm 中)，id 与数据结构的关联机制有不同的实现，IDR 机制是其中的一种。
IDR，ID Radix 的缩写。IDR 主要用于建立 id 与指针(指向对应的数据结构) 之间的对应关系。IDR 用类基数树结构来构造一个稀疏数组，以 id 为索引找到对应数组元素， 进而找到对应的数据结构指针。用到 IDR 机制的主要有：IPC id (消息队列 id、 信号量 id、共享内存 id 等)，磁盘分区 id (sda 中数字部分）等。
三、内核映射：IDR
Linux 内核提供了一套完整的 IDR 实现机制，其基于 Radix-tree。在 linux 4.19 之前内核并未采用 xarray 代替 radix，但 linux 4.20 之后，内核采用 xarray 替代了 radix-tree，因此 IDR 的底层实现也发生了改变，但这不影响上层 IDR 的接口功能。 内核关于 IDR 的源码位于：
include/linux/idr.h
lib/idr.c
在 Linux 内核中，IDR 作为重要的基础数据，内核定义了相应的数据结构对 IDR 进行维护。
struct idr {
struct radix_tree_root idr_rt;
unsigned int idr_base;
unsigned int idr_next;
};
内核定义了 struct idr 结构用来维护一个 IDR。idr_rt 成员定义了一棵 radix-tree 树； idr_base 成员用于指定 ID 分配的起始地址；idr_next 成员指定下一个 ID 的偏移号。
radix tree–基数树
对于长整型数据的映射，如何解决Hash冲突和Hash表大小的设计是一个很头疼的问题。
radix树就是针对这种稀疏的长整型数据查找，能快速且节省空间地完成映射。借助于Radix树，我们可以实现对于长整型数据类型的路由。利用radix树可以根据一个长整型（比如一个长ID）快速查找到其对应的对象指针。这比用hash映射来的简单，也更节省空间，使用hash映射hash函数难以设计，不恰当的hash函数可能增大冲突，或浪费空间。
radix tree是一种多叉搜索树，树的叶子结点是实际的数据条目。每个结点有一个固定的、2^n指针指向子结点（每个指针称为槽slot，n为划分的基的大小）
插入、删除
radix Tree(基数树) 其实就差不多是传统的二叉树，只是在寻找方式上，利用比如一个unsigned int的类型的每一个比特位作为树节点的判断。
可以这样说，比如一个数1000101010101010010101010010101010，那么按照Radix 树的插入就是在根节点，如果遇到0，就指向左节点，如果遇到1就指向右节点，在插入过程中构造树节点，在删除过程中删除树节点。如果觉得太多的调用Malloc的话，可以采用池化技术，预先分配多个节点。
（使用一个比特位判断，会使树的高度过高，非叶节点过多。故在实际应用中，我们一般是使用多个比特位作为树节点的判断，但多比特位会使节点的子节点槽变多，增大节点的体积，一般选用2个或4个比特位作为树节点即可）
插入：
我们在插入一个新节点时，我们根据数据的比特位，在树中向下查找，若没有相应结点，则生成相应结点，直到数据的比特位访问完，则建立叶节点映射相应的对象。
删除：
我们可以“惰性删除”，即沿着路径查找到叶节点后，直接删除叶节点，中间的非叶节点不删除。
Linux基数树（radix tree）是将long整数键值与指针相关联的机制，它存储有效率，并且可快速查询，用于整数值与指针的映射（如：IDR机制）、内存管理等。
IDR（ID Radix）机制是将对象的身份鉴别号整数值ID与对象指针建立关联表，完成从ID与指针之间的相互转换。IDR机制使用radix树状结构作为由id进行索引获取指针的稀疏数组，通过使用位图可以快速分配新的ID，IDR机制避免了使用固定尺寸的数组存放指针。
Linux 内核中，每个 IDR 都包含一个 radix-tree 树，内核在初始化完 IDR 之后，每当需要分配新的ID与指针绑定的时候，IDR 通过计算 idr_base + idr_next 的值计算下一个ID的值，并且从radix-tree 中找到 ID 对应的 slot 供存储指针。由于ID申请是连续的，因此从 radix-tree 来看，树都是往一侧偏移退化形成一个稀疏数组。如下图，连续的ID导致树的偏移退化。
IDR 初始化操作
IDR 机制中，内核使用 struct idr 数据结构维护着 IDR。在使用 IDR 之前需要对 IDR 进行初始化。初始化的内容主要包括 IDR 包含 radix-tree 的初始化，以及 分配 ID 的起始值。内核提供了多个接口函数用于 IDR 的初始化，开发者可以参考 下面的文章进行实践：
IDR 插入操作
IDR 插入操作就是从内核中分配一个 ID 与给定的指针进行绑定操作。IDR 机制中， 通过分配一个 ID 之后，并在 IDR 对应的 radix-tree 中找到 ID 对应的 slot， 然后将给定的指针存储在 slot 中，以此实现 ID 与指针绑定的原理。内核也提供了 相应的函数用于 ID 的插入操作，开发者可以参考下面的文章进行实践：
IDR 查询操作
IDR 查询操作就是通过 ID 找到对应的指针。IDR 通过 radix-tree 机制提供的函数， 实现了 ID 的快速查找到对应的 slot 之后，以此获得对应的指针。内核也提供了 相应的函数用于 ID 的查找操作，开发者可以参考下面的文章进行实践：
IDR 修改操作
IDR 修改操作就是通过 ID 替换与之绑定的指针。IDR 通过 radix-tree 机制提供的函数， 找到 ID 在 radix-tree 中对应的 slot，然后将 slot 的值替换成新值，以此实现 IDR 的修改操作。内核也提供了相应的函数用于 ID 的修改操作，开发者可以参考下面的 文章进行实践：
IDR 删除操作
IDR 删除操作指的是解除 ID 与之绑定的指针关系。IDR 通过删除操作将 ID 与指针 解除关系之后，并回收 ID。内核也提供了相应的函数用于 ID 的删除操作，开发者可以 参考下面的文章进行实践：
IDR 遍历操作
IDR 的遍历操作指的是遍历 IDR 所有 ID 对应的指针。内核也提供了相应的函数用于 ID 的遍历操作，开发者可以参考下面的文章进行实践：
IDR 其他操作
IDR 机制还提供了许多有用的接口，开发者可以参考如下文档进行实践：