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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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）。

struct xa_node {
	unsigned char	shift;		/* Bits remaining in each slot */
	unsigned char	offset;		/* Slot offset in parent */
	unsigned char	count;		/* Total entry count */
	unsigned char	nr_values;	/* Value entry count */
	struct xa_node __rcu *parent;	/* NULL at top of tree */
	struct xarray	*array;		/* The array we belong to */
	union {
		struct list_head private_list;	/* For tree user */
		struct rcu_head	rcu_head;	/* Used when freeing node */
	};
	void __rcu	*slots[XA_CHUNK_SIZE];
	union {
		unsigned long	tags[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS];
		unsigned long	marks[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS];
	};
};
  • 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。

struct xarray {
	spinlock_t	xa_lock;
	/* private: The rest of the data structure is not to be used directly. */
	gfp_t		xa_flags;
	void __rcu *	xa_head;
};
  • 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：

    xa_store(&xarray, index, value, GFP_KERNEL);

函数的步骤如下：

  1. 初始化XArray的状态和位置。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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：

    xa_erase(&xarray, index);

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：

    xa_store(&xarray, index, new_value, GFP_KERNEL);

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：

    value = xa_load(&xarray, index);

函数的步骤如下：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 释放读取锁： 使用rcu_read_unlock函数，释放之前获取的RCU读取锁。
  6. 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。

int xa_find_range(struct xarray *xa, unsigned long start, unsigned long end,
                  xa_tag_t tag, void *result[]);

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：

unsigned long start_key = 100;
unsigned long end_key = 200;
void *result[XA_CHUNK_SIZE];

int num_entries = xa_find_range(&xarray, start_key, end_key, XA_PRESENT, result);
if (num_entries > 0) {
    // 处理查询结果
}

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。

#define XA_FLAGS_LOCK_IRQ	0x1

int xa_for_each(struct xarray *xa, unsigned long *index, void *entry, xa_mark_t mark);
int xa_for_each_marked(struct xarray *xa, unsigned long *index, void *entry,
                       xa_mark_t mark, xa_mark_t *last);

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：

unsigned long index = 0;
void *entry;

xa_for_each(&xarray, &index, entry, XA_PRESENT) {
    // 处理迭代到的键值对
}

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：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/xarray.h>
#include <linux/slab.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

struct my_data {
    int id;
    char name[20];
};

DEFINE_XARRAY(my_xarray);  // 定义一个全局的XArray

static void insert_data(int id, const char* name) {
    struct my_data* data = kmalloc(sizeof(struct my_data), GFP_KERNEL);
    data->id = id;
    strncpy(data->name, name, sizeof(data->name));
    
    xa_store(&my_xarray, id, data, GFP_KERNEL);
}

static void remove_data(int id) {
    struct my_data* data = xa_erase(&my_xarray, id);
    if (data)
        kfree(data);
}

static struct my_data* get_data(int id) {
    return xa_load(&my_xarray, id);
}

static int __init xarray_example_init(void) {
    pr_info("xarray_example: Initializing XArray example module\n");

    insert_data(1, "John");
    insert_data(2, "Alice");
    insert_data(3, "Bob");
    insert_data(4, "Steve");

    struct my_data* data = get_data(2);
    if (data)
        pr_info("xarray_example: ID: %d, Name: %s\n", data->id, data->name);

    unsigned long index;

    pr_info("xarray_example: before remove data 3");
    xa_for_each(&my_xarray, index, data) {
        pr_info("index = %d, data = %p, data->id = %d, data->name = %s\n", 
                index, data, data->id, data->name);
    }

    remove_data(3);

    pr_info("xarray_example: after remove data 3\n");
    xa_for_each(&my_xarray, index, data) {
        pr_info("index = %d, data = %p, data->id = %d, data->name = %s\n", 
                index, data, data->id, data->name);
    }

    return 0;
}

static void __exit xarray_example_exit(void) {
    pr_info("xarray_example: Cleaning up XArray example module\n");

    struct my_data* data;
    unsigned long index;

    xa_for_each(&my_xarray, index, data) {
        xa_erase(&my_xarray, index);
        kfree(data);
    }
}

module_init(xarray_example_init);
module_exit(xarray_example_exit);

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：

image-20230707123132011

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

  1. XArray：www.kernel.org/doc/html/v5…。

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