linux内核IDR机制详解【转】

这几天在看Linux内核的IPC命名空间时候看到关于IDR的一些管理性质的东西，刚开始看有些迷茫，深入看下去豁然开朗的感觉，把一些心得输出共勉。

我们来看一下什么是IDR？IDR的作用是什么呢？

先来看下IDR的作用：IDR主要实现ID与数据结构的绑定。刚开始看的时候感觉到有点懵，什么叫“ID与数据结构的绑定”？举一个例子大家就会明白了：在IPC通信的时候先要动态获取一个key值或者使用现有的key值进行通信，那么系统怎么知道这个key值是否使用了呢？这个就需要IDR来进行判断了。以上就是IDR的一些浅显的概念，IDR本质上就是通过对于ID一些有效的管理进而管理和这些ID有关的数据结构----不限于IPC通信的key值。

IDR怎么对于数据ID管理呢？传统上我们对于未使用的ID进行管理的时候可以使用位图进行管理，也可以使用数组进行管理，也可以使用链表进行ID管理，三个个各有优缺点：

1. 使用位图进行管理的时候优点是使用空间少，但是对于位图对应的数据结构支持不太友好。
2. 使用数组进行管理的时候寻址快速，但是只能管理比较少量的ID数目。
3. 使用链表进行管理的时候虽然可以支持大量的数据ID，但是通过链表的指针寻址比较慢。

所以引入了以上三者的优点进行IDR管理。

IDR管理的核心

IDR把每一个ID分级数据进行管理，每一级维护着ID的5位数据，这样就可以把IDR分为7级进行管理（5*7=35，维护的数据大于32位），如下所示：

31 30 | 29 28 27 26 25 | 24 23 22 21 20 | 19 18 17 16 15 | 14 13 12 11 10 | 9 8 7 6 5 | 4 3 2 1 0

例如数据ID为0B 10 11111 10011 00111 11001 100001 00001，寻址如下：

1. 第一级寻址 ary1[0b10]得到第二级地址ary2[]
 2. ary3 = ary2[0b11111]
 3. ary4 = ary3[ob10011]
 4. ary5 = ary4[0b00111]
 5. ary6 = ary5[0b11001]
 6. ary7 = ary6[0b100001]
 7. ary8 = ary7[0b00001]

ary8即为要寻址到的ID对应的IDR指针。

如下图：

上图中每一个分级中的IDR数组中的值不为空代表相应位有效的ID位，但是使用数组下标标示有效的ID位还是有点慢----需要通过数组下标以及数组内容判断有效的ID位，所以对于每一个IDR引入了有效的ID位图来表示，每一个位图为32位刚好给出了相应的有效的ID位。方便查找。

上图中只是使用了IDR的32个数组表示，并没有给出IDR的位图以及层数标志，下面给出相应的数据结构：

IDR 数据结构：

struct idr_layer {
	//位图，ary数组结构哪个有效
        unsigned long            bitmap; /* A zero bit means "space here" */
        //IDR数组
        struct idr_layer __rcu  *ary[1<<IDR_BITS];
        标示
        int                      count;  /* When zero, we can release it */
        //层数，代表所在的ID位
        int                      layer;  /* distance from leaf */
        struct rcu_head          rcu_head;
};

struct idr {
	//IDR层数头，实际上就是32叉树
        struct idr_layer __rcu *top;
	//尚未使用的IDR
        struct idr_layer *id_free;
        //层数
        int               layers; /* only valid without concurrent changes */
        //id_free未用的个数；
        int               id_free_cnt;
        spinlock_t        lock;
};

下面讨论一下IDR的初始化以及增删改查ID问题：

1. IDR的初始化
2. IDR的增加
3. IDR的查找

IDR的初始化：

IDR的初始化相对来说比较简单，使用IDR_INIT可以初始化一个IDR，原型如下：

#define IDR_INIT(name)                                          \
{                                                               \
        .top            = NULL,                                 \
        .id_free        = NULL,                                 \
        .layers         = 0,                                    \
        .id_free_cnt    = 0,                                    \
        .lock           = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),      \
}

可以看到IDR只是把各个数据值为零，原子锁初始化下。

IDR的增加：

IDR增加比较复杂，在C中编程大部分情况可以分为如下两点讨论：

1.idr.top为NULL的情况；
 2.idr.top不为NULL的情况；
 以上考虑问题也是可以的，但是没有考虑到如下问题：
 每一个idr_layer结构体有一个layer标示,我们每每增加一层，就要遍历整个idr的32叉树。无形中增加了系统负担。

idr设计者在考虑问题时候恰恰相反，没增加一个idr_layer层，就把要增加的idr_layer->ary[0]指向旧的idr_layer树的根，把要增加idr_layer->layer赋予旧的根部的idr_layer->layer + 1值，这样就不会考虑到idr->top为NULL的情况了。ps:只需要判断在增加第一个idr_layer时候判断一下，并且把idr_layer->layer值赋为0.

IDR的查找：

在查找IDR时侯会先查找IDR根节点，然后根据ID位所在的层的值遍历IDR树，如果查找到某一段树为NULL，则会返回NULL。

以下是IDR查找的过程：

void *idr_find(struct idr *idp, int id)
{
        int n;
        struct idr_layer *p;
        //获取根IDR
        p = rcu_dereference_raw(idp->top);
        if (!p)
                return NULL;
        /**
		根据IDR的层数获取要遍历的个数；
	**/
        n = (p->layer+1) * IDR_BITS;

        /* 去除我们不需要查找的位数. */
        id &= MAX_ID_MASK;
	/***如果ID值大于n, 1<<n为根据层数换算过来的ID的最大值**/
        if (id >= (1 << n))
                return NULL;
        BUG_ON(n == 0);
	/***
		遍历顺序：28---->0,每次减少5位，可以遍历完全IDR的32叉树
	***/
        while (n > 0 && p) {
                n -= IDR_BITS;
                BUG_ON(n != p->layer*IDR_BITS);
                p = rcu_dereference_raw(p->ary[(id >> n) & IDR_MASK]);
        }
        return((void *)p);
}