本节研究基数树相关的机制和实现；
基数树
说明几点
（1）基数树，是一种基于二进制表示键值的二叉查找树，类似字典树；其典型应用为IP地址的查找；
（2）如果使用IPv4时，基数树只需要支持到最大深度为32就可以了，key值从最高位向最低位开始匹配，比如key为0xC0000000，将会从key的最高位1向0开始匹配；
代码分析
基数树声明
//基数树节点
struct ngx_radix_node_s {
ngx_radix_node_t *right; //右孩子
ngx_radix_node_t *left; //左孩子
ngx_radix_node_t *parent; //父亲
uintptr_t value; //指向用户实际的数据，若还没有使用为NGX_RADIX_NO_VALUE
};
//基数树管理结构
typedef struct {
ngx_radix_node_t *root; //指向根结点
ngx_pool_t *pool; //内存池
ngx_radix_node_t *free; //管理已经分配但暂时未使用（不在树中）的节点，实际上所有不在树中节点的单链表，使用right组成一个单链表
char *start; //管理已经分配但暂时未使用内存的首地址
size_t size; //已经分配内存中还未使用的内存大小
} ngx_radix_tree_t;
基数树节点分配（内存分配）
//基数树节点分配（申请一个节点内存）
static ngx_radix_node_t *
ngx_radix_alloc(ngx_radix_tree_t *tree)
{
ngx_radix_node_t *p;
if (tree->free) { //管理已经分配但暂时未使用（不在树中）的节点有节点
p = tree->free; //直接找到
tree->free = tree->free->right; //指向下一个节点
return p;
}
if (tree->size < sizeof(ngx_radix_node_t)) { //已有内存不够分配一个节点
tree->start = ngx_pmemalign(tree->pool,ngx_pagesize,ngx_pagesize); //分配一页内存
if (tree->start == NULL) {
return NULL;
}
tree->size = ngx_pagesize; //一页大小
}
p = (ngx_radix_node_t *) tree->start; //分配的节点内存地址
tree->start += sizeof(ngx_radix_node_t); //更新已分配内存还未使用内存的地址
tree->size -= sizeof(ngx_radix_node_t); //剩余的内存大小
return p;
}
基数树创建
//基数树创建
ngx_radix_tree_t *
ngx_radix_tree_create(ngx_pool_t *pool,ngx_int_t preallocate)
{
//preallocate表示建树的深度；当preallocate为1时，一共有3个节点；当preallocate为2，一共有7个节点；当为n时有2^(n+1)-1个节点；默认为-1;
uint32_t key,mask,inc;
ngx_radix_tree_t *tree;
tree = ngx_palloc(pool,sizeof(ngx_radix_tree_t)); //申请基数树管理结构内存
if (tree == NULL) {
return NULL;
}
tree->pool = pool;
tree->free = NULL; //管理已经分配但暂时未使用（不在树中）的节点，初始化为NULL
tree->start = NULL; //管理已经分配但暂时未使用内存的首地址，初始化为NULL
tree->size = 0; //已经分配内存中还未使用的内存大小，初始化为0
tree->root = ngx_radix_alloc(tree); //创建根节点
if (tree->root == NULL) {
return NULL;
}
tree->root->right = NULL;
tree->root->left = NULL;
tree->root->parent = NULL;
tree->root->value = NGX_RADIX_NO_VALUE; //初始值
if (preallocate == 0) {
return tree;
}
/*
* Preallocation of first nodes : 0,1,00,01,10,11,000,001,etc.
* increases TLB hits even if for first lookup iterations.
* On 32-bit platforms the 7 preallocated bits takes continuous 4K,* 8 - 8K,9 - 16K,etc. On 64-bit platforms the 6 preallocated bits
* takes continuous 4K,7 - 8K,8 - 16K,etc. There is no sense to
* to preallocate more than one page,because further preallocation
* distributes the only bit per page. Instead,a random insertion
* may distribute several bits per page.
*
* Thus,by default we preallocate maximum
* 6 bits on amd64 (64-bit platform and 4K pages)
* 7 bits on i386 (32-bit platform and 4K pages)
* 7 bits on sparc64 in 64-bit mode (8K pages)
* 8 bits on sparc64 in 32-bit mode (8K pages)
*/
if (preallocate == -1) {
switch (ngx_pagesize / sizeof(ngx_radix_node_t)) { //可以有多少个树节点
/* amd64 */
case 128:
preallocate = 6; // 2^7-1为127个节点
break;
/* i386,sparc64 */
case 256:
preallocate = 7; // 2^8-1为255个节点
break;
/* sparc64 in 32-bit mode */
default:
preallocate = 8;
}
}
mask = 0;
inc = 0x80000000; //增加的幅度
//预创建树
while (preallocate--) {
key = 0;
mask >>= 1;
mask |= 0x80000000; //初始时为0x80000000，表示第一层；然后依次右移和或，变为0xC0000000，表示第二层；其实mask表示对应的层次
do {
if (ngx_radix32tree_insert(tree,key,NGX_RADIX_NO_VALUE)
!= NGX_OK)
{
return NULL;
}
key += inc;
//inc为0x80000000时，mask为0x80000000（表示第一层），key表示创建的节点值，根节点为0，然后变为0x80000000这样就创建了根结点的左右孩子；
//退出循环后，inc为0x40000000时，mask为0xC0000000（表示第2层）key为依次又变为0，然后到0x40000000，然后到0x80000000，
//然后到0xC0000000，然后到0x00000000，这样又对应创建了4个孩子；
} while (key);
inc >>= 1;
}
return tree;
}
插入基数树节点
//插入基数树节点，使用mask来控制层次，避免建立额外的层次
//预创建，将会建立一颗满二叉树；如果不用预创建，只会创建对应路径的树节点，其他分支则不会创建；
ngx_int_t
ngx_radix32tree_insert(ngx_radix_tree_t *tree,uint32_t key,uint32_t mask,uintptr_t value)
{
uint32_t bit;
ngx_radix_node_t *node,*next;
bit = 0x80000000;
node = tree->root; //头节点
next = tree->root;
while (bit & mask) { //一位位判断，从高到低，mask控制移动的层次
if (key & bit) { //对应的位为1，向有查找，初始时，key为0直接break;
next = node->right;
} else {
next = node->left; //为0向左找
}
if (next == NULL) { //跳出，已经找到
break;
}
bit >>= 1; //向低位移动
node = next; //指向父节点
}
if (next) { //找到指定层的节点时，若不为空时
if (node->value != NGX_RADIX_NO_VALUE) {
return NGX_BUSY;
}
node->value = value; //可以赋值
return NGX_OK;
}
while (bit & mask) { //一位位判断，从高到低，mask控制移动的层次
next = ngx_radix_alloc(tree); //申请一个基数树节点
if (next == NULL) {
return NGX_ERROR;
}
next->right = NULL;
next->left = NULL;
next->parent = node; //指向父节点
next->value = NGX_RADIX_NO_VALUE; //初始化为无效值
if (key & bit) {
node->right = next;
} else {
node->left = next;
}
bit >>= 1; //bit继续右移
node = next;
}
node->value = value; //对应的叶子节点，指向对应的值value
return NGX_OK;
}
删除基数树节点
//删除基数树节点 ngx_int_t ngx_radix32tree_delete(ngx_radix_tree_t *tree,uint32_t mask) { uint32_t bit; ngx_radix_node_t *node; bit = 0x80000000; node = tree->root; while (node && (bit & mask)) { //mask控制层次 if (key & bit) { node = node->right; } else { node = node->left; } bit >>= 1; } if (node == NULL) { return NGX_ERROR; } //不为叶子节点时，简单处理 if (node->right || node->left) { //找到指定的节点了，但左右孩子有任一不为空时 if (node->value != NGX_RADIX_NO_VALUE) { node->value = NGX_RADIX_NO_VALUE; //直接赋值为无效 return NGX_OK; } return NGX_ERROR; } //为叶子节点时，回收内存，回收一系列单路径节点内存 for ( ;; ) { if (node->parent->right == node) { //该节点对应的孩子指向为空 node->parent->right = NULL; } else { node->parent->left = NULL; } //插入到tree->free的头部 node->right = tree->free; tree->free = node; node = node->parent; //指向父亲 if (node->right || node->left) { //父亲还有另外的孩子，直接退出 break; } if (node->value != NGX_RADIX_NO_VALUE) { //父亲的值还是有效的，直接退出 break; } if (node->parent == NULL) { //如果父亲是根结点，那么也直接退出，根节点不删除 break; } } return NGX_OK; }
最长匹配查找key
//查找对应节点key上的值，其实是得到最长的匹配，不需要mask来控制层次
uintptr_t
ngx_radix32tree_find(ngx_radix_tree_t *tree,uint32_t key)
{
uint32_t bit;
uintptr_t value;
ngx_radix_node_t *node;
bit = 0x80000000;
value = NGX_RADIX_NO_VALUE;
node = tree->root; //树
while (node) {
if (node->value != NGX_RADIX_NO_VALUE) { //最长匹配的有效值
value = node->value;
}
if (key & bit) { //为1时，表示向右走，到右孩子
node = node->right;
} else { //为0时，表示向左走，到左孩子
node = node->left;
}
bit >>= 1;
}
return value;
} 原文链接：https://www.f2er.com/datastructure/382662.html