Linux XArray 详解
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1 引言
在现代操作系统中，高效的数据结构对于处理大规模数据和高并发访问非常重要。Linux 内核作为一个开放源代码的操作系统内核，一直致力于改进数据结构以提高性能和可扩展性。其中一个引人注目的数据结构是 Linux XArray（扩展数组）。
Linux XArray 是一种高效的键值对数据结构，旨在解决大规模数据集上的高并发访问问题。它被广泛应用于 Linux 内核的各个子系统，如文件系统、网络子系统和内存管理等。
本文将深入探讨 XArray 的设计和实现细节，重点介绍 XArray 的数据结构、基本操作和扩展功能。通过本文的介绍，读者将能够更好地理解 Linux XArray 的作用和优势。
2 XArray 基本概念
2.1 XArray 的定义和特点
XArray 是一种高效的键值对数据结构，用于在 Linux 内核中管理大规模数据集。XArray 的核心思想是通过索引来跟踪和定位数据项，而不是依赖于哈希函数或平衡树结构。它使用一组指针和键来组织数据，通过这些指针和键，可以快速地定位到数据项，而无需遍历整个数据集。XArray 通过采用特殊的索引和跳表结构，提供了快速的插入、删除、更新和查询操作。
XArray 的索引结构由一系列的节点组成，每个节点包含一个键和指向下一个节点的指针。节点之间通过指针相互链接，形成一个跳表结构。这种结构允许在插入、删除和查询操作中快速地定位到目标数据项，同时保持较低的时间复杂度。
Linux XArray 是一种扩展数组（eXtensible Array）数据结构，它定义和实现在 Linux 内核中，提供了一种通用的数据管理机制，可以被不同的子系统使用。
XArray 具备以下特点：
高性能：XArray 经过精心设计和优化，具有高度优化的算法和数据结构，以实现在大规模数据集上的快速操作。它可以在 O(log N)的时间复杂度内执行数据的查找和修改操作，具备出色的性能。
低内存占用：XArray 在内存使用方面非常高效。它能够动态调整内存的分配和回收，根据需要扩展或收缩存储空间。这使得 XArray 在管理大规模数据集时能够有效地节省内存，减少资源消耗。
可扩展性：XArray 的设计允许动态地扩展和收缩，以适应不同规模和负载的系统需求。它可以根据数据集的大小自动调整内部结构，并保持高性能和高效率。这使得 XArray 适用于各种应用场景和系统需求。
线程安全：XArray 在设计上考虑了并发访问的情况，并提供了相应的线程安全机制。它使用自旋锁等同步机制来保护数据的一致性和正确性，以确保在多线程环境下的安全访问。
应用广泛：XArray 被广泛应用于 Linux 内核的各个子系统，如文件系统、网络子系统和内存管理等。它在这些子系统中提供了高性能和可靠的数据管理能力，为系统的性能和效率提供了重要的支持。
2.2 XArray 与传统数据结构的比较
数组：相比于数组，XArray 的==大小可以动态增长或收缩==，避免了数组长度固定的限制。
链表：与链表相比，XArray 通过索引和跳表的结构，提供了==更快的随机访问和范围查询能力==。
哈希表：与哈希表相比，XArray==不需要计算哈希值和处理哈希冲突==，简化了操作逻辑，同时在大规模数据集上具有更好的性能。
红黑树：与红黑树相比，XArray 在==插入和删除操作上更具优势==，且具备==更低的内存占用==。
2.3 XArray 的应用场景
文件系统：XArray 可用于管理文件系统中的索引节点（Inode）和文件描述符等数据结构。
网络子系统：XArray 可用于管理网络连接和套接字相关的数据结构，提供高性能的连接管理能力。
内存管理：XArray 可用于管理内核中的页表、内存分配器和缓存等数据结构，优化内存管理的性能和效率。
虚拟化：XArray 可用于虚拟化平台中的资源管理，如虚拟机的状态跟踪和调度等。
3 XArray 的设计与实现
3.1 XArray 的数据结构
XArray 的数据结构在 Linux 内核源代码中的实现位于头文件include/linux/xarray.h中。
struct xa_node：这是 XArray 的基本节点结构，表示 XArray 中的节点，用于存储键值条目（entry）。
shift：shift是一个无符号字符（unsigned char），用于表示每个槽（slot）中剩余的位数。它确定了键（index）的位置，即用于计算在当前节点的槽位中的偏移量。offset：offset是一个无符号字符（unsigned char），用于表示当前节点在父节点中的槽位偏移量。通过偏移量，可以在父节点的槽位中定位到当前节点。count：count是一个无符号字符（unsigned char），用于表示当前节点中的总条目数。它统计了当前节点中存储的所有条目的数量。nr_values：nr_values是一个无符号字符（unsigned char），用于表示当前节点中的值条目数。它记录了当前节点中存储的值类型的条目的数量。parent：parent是指向父节点的指针。它允许在 XArray 的层次结构中进行导航，从而实现了对上层节点的访问。array：array是指向所属 XArray 的指针。它指示当前节点所属的 XArray 对象，用于在操作中获取相关的 XArray 属性和功能。private_list：private_list是用于树用户的私有链表。它在树结构中的用户定义中使用，以实现自定义的树结构功能。rcu_head：rcu_head是用于在释放节点时使用的 RCU（Read-Copy-Update）机制的头结构。RCU 是一种用于实现高效内存回收的机制。slots[XA_CHUNK_SIZE]：slots是一个指针数组，用于存储指向子节点或条目的指针。它具体指向当前节点的子节点或存储在当前节点中的条目。tags[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS]：tags是一个位图数组，用于存储键的标记位图。它支持多个标记，每个标记由一个位图表示。marks[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS]：marks是一个位图数组，用于存储节点的标记位图。它支持多个标记，每个标记由一个位图表示。
struct xarray： 这是 XArray 的主要结构，用于管理 XArray 的属性和根节点。
spinlock_t xa_lock： 这是一个自旋锁（spinlock），用于保护 XArray 的并发访问。自旋锁是一种用于同步访问共享资源的锁，它使用忙等待的方式来阻塞其他线程或进程的访问，直到锁可用。在访问 XArray 时，需要先获取该锁来确保数据的一致性和正确性。gfp_t xa_flags： 这是一个标志位，用于指定内存分配的行为和特性。gfp_t是一种用于描述内存分配的标志类型，在 Linux 内核中广泛使用。通过设置不同的标志位，可以指定内存分配的方式、要求和约束，以满足特定的内存管理需求。void __rcu * xa_head： 这是一个指针，指向 XArray 的头部。__rcu是一种用于实现内核中的读-复制-更新（RCU）机制的修饰符。RCU 是一种无锁机制，用于在多线程环境中实现高效的并发访问。通过使用 RCU 修饰符，可以确保在读取 XArray 时不会阻塞其他线程对 XArray 的修改操作，从而提高并发性能。
XArray 的其他辅助数据结构和函数在源代码中也有定义和实现，用于支持 XArray 的操作和功能，如用于标记槽的状态的位图（bitmap）、迭代器等。
3.2 XArray 的基本操作
XArray 的基本操作在 Linux 内核源代码中的实现涉及一系列函数和宏定义。以下是对 XArray 的基本操作的简要介绍。
3.2.1 插入数据
插入数据是向 XArray 中添加新的键值对的操作。
函数：
void *xa_store(struct xarray *, unsigned long index, void *entry, gfp_t);。作用：向 XArray 中插入一个键值对。
源代码位置：
lib/xarray.c。示例用法：
函数的步骤如下：
初始化 XArray 的状态和位置。
检查参数的有效性，确保键值对数据不是一个特殊的高级指针，并根据需要设置空值。
进入一个循环，尝试将键值对数据存储到 XArray 中。如果 XArray 中的位置已经被占用，就尝试将数据存储到下一个位置，直到成功存储或者发现内存不足。
返回存储结果，表示存储操作是否成功。
3.2.2 删除数据
删除数据是从 XArray 中移除指定键值对的操作。
函数：
void *xa_erase(struct xarray *xa, unsigned long index);。作用：从 XArray 中删除指定键的条目。
源代码位置：
lib/xarray.c。示例用法：
函数的步骤如下：
准备工作：函数接收一个指向 XArray 的指针和一个索引作为参数。然后创建一个 XArray 状态（XA_STATE）对象，并将其与 XArray 和索引关联起来。
删除操作：使用 XA_STATE 对象，函数尝试在 XArray 中查找指定索引的键值对。如果找到了对应的键值对，就将其删除，并将结果存储在 XArray 状态对象中。
返回结果：函数通过调用
xas_store()和xas_result()函数将删除操作的结果返回。
3.2.3 更新数据
更新数据是修改 XArray 中指定键对应的值的操作。
函数：
void *xa_store(struct xarray *xa, unsigned long index, void *entry, gfp_t gfp)。作用：更新 XArray 中指定键的值。
源代码位置：
lib/xarray.c。示例用法：
函数的步骤同插入数据。
3.2.4 查询数据
查询数据是根据给定键从 XArray 中检索相应的值的操作。
宏：
void *xa_load(struct xarray *xa, unsigned long index);。作用：从 XArray 中获取指定键的值。
源代码位置：
include/linux/xarray.h。示例用法：
函数的步骤如下：
创建
XArray状态变量： 使用XA_STATE宏，创建一个名为xas的XArray状态变量，该变量用于在 XArray 中定位和访问指定索引处的条目。获取读取锁： 使用
rcu_read_lock函数，获取 RCU 读取锁。这是一种读取操作所需的锁，它允许多个读取操作同时进行，而不会阻塞其他读取操作。循环加载条目： 进入一个循环，通过调用
xas_load函数从 XArray 中加载指定索引处的条目，并将结果存储在entry变量中。如果加载的条目是空条目（即没有有效数据），则将entry置为NULL。处理加载重试： 使用
xas_retry函数，检查在加载条目期间是否需要进行重试。如果需要重试，函数会重新加载条目，并继续循环，直到成功加载非空条目或不再需要重试。释放读取锁： 使用
rcu_read_unlock函数，释放之前获取的 RCU 读取锁。返回加载的条目： 返回最终加载的条目（可能为
NULL），作为函数的结果。
3.3 XArray 的扩展功能
3.3.1 范围查询
XArray 支持范围查询，允许按照键的范围进行查询操作。范围查询可以通过遍历槽中的链表和跳表结构来实现。通过设置起始键和结束键，可以检索指定范围内的键值对。
范围查询功能的实现主要涉及使用xa_find_range()函数进行遍历和检索。
xa_find_range()函数接受一个起始键和结束键，以及一个用于存储结果的数组result[]。它将在指定范围内搜索符合条件的键值对，并将结果存储在result[]中。
以下是一个示例代码片段，演示如何使用范围查询功能：
3.3.2 迭代器
XArray 提供迭代器功能，使得可以逐个遍历 XArray 中的键值对。迭代器可以按照特定的顺序遍历槽中的链表和跳表结构，以获取所有的键值对。
迭代器可以使用xa_for_each()或xa_for_each_marked()函数来实现。
xa_for_each()函数按顺序迭代 XArray 中的每个条目，而xa_for_each_marked()函数只迭代标记为特定标记的条目。
以下是一个示例代码片段，演示如何使用迭代器功能：
4 综合示例
以下是一个简单的代码示例，演示如何使用 Linux XArray 进行插入、删除和查询操作：
在上面的示例中，我们使用了DEFINE_XARRAY宏来定义一个全局的 XArray，命名为my_xarray。然后，我们定义了insert_data函数来插入数据，remove_data函数来删除数据，以及get_data函数来查询数据。在test_xarray函数中，我们进行了一些简单的插入、查询和删除操作，并最后调用cleanup_xarray函数来清理 XArray 中的所有数据。
上述示例的输出结果如下：
5 总结
Linux XArray 是一种高效的键值对数据结构，在 Linux 内核中用于管理大规模数据集。它通过索引和跳表的结构，实现了快速的插入、删除、更新和查询操作。XArray 具有低内存占用、可扩展性和线程安全性等特点，使其在文件系统、网络子系统、内存管理和虚拟化等领域具有广泛的应用潜力。通过 XArray，Linux 内核能够以高性能和高效率处理复杂的数据操作需求，为系统的性能和可扩展性提供了重要的支持。
6 参考资料
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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/61c99e476522ecd7d07f0b7e3】。文章转载请联系作者。
聚沙成塔 2023-01-12 加入
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