1. 引言

最近在系统里遇到了IDR结构体，后来看了一下，是内核的一个基础结构。
这个是怎么引入的，引入是为了什么呢？
最早的时候，我们的结构体是一个类似于大结构体套小结构体。

struct A {int a1;int b1;struct B B1[1000];struct C C1[8];...
};

当然，实际使用会有很多个这样的结构体，这样的结果就是导致A的结构体的size太大，在有些app中临时申请一个就占掉大量空间。
后来改成了指针.

struct A {int a1;int b1;struct B *B1[1000];struct C *C1[8];...
};

但是，当B1，C1的成员ID并不是0,1,2,3,4,5,6……这些很小的ID值时，我们如何定义结构体呢？
比如有1000个变量，ID稀疏的分布在 0 ~ 1000000000之间，他们的ID分别是：

B1[1000], B1[2001],B1[10000], B1[10000000]....

ID无规则且稀疏的分布在一个很大的区间内，这种应该怎么办呢？

使用数组
为了一个 B1[1000000000]的值，我们就定义一个B1[1000000000]的数组？这样确实可以快速寻址，但是占用的无效空间也实在是太大了。毕竟1000000000里面只有1000个是真实有效的数据。

struct A {int a1;int b1;struct B B1[1000000000];struct C *C1[8];...
};

ID映射
可能有人说了，我们把真实的ID存在结构体里，比如给struct B添加一项ID，index的下标还是用1、2、3、4、5……把真正的ID给存到结构体的ID里去。这确实也是一种方法，相当于用1、2、3、4、5去映射了真实的ID 1000,2001,10000，10000000……空间节省了，但是这样无法快速寻址。
比如针对上面的需求，我们定义一个B1[1000]的数组，然后把真实的ID存在B1[0].ID，B1[1].ID…这样，当我们需要查找一个ID为9999999的数据时，不得不从0开始，挨个取出所有的数据的ID来做比对。当数据数量很大，且这是一个非常频繁的操作时，就会显得效率低下。

struct B {int id;int data;
}struct A {int a1;int b1;struct B B1[1000];struct C *C1[8];...
};

链表
同理，我们用链表也是一样，为了找出我们需要的那个ID的数值，我们不得不遍历每一个节点，取出ID进行比对，依然显得效率低下。

那在linux内核里，大牛们是怎么解决这个问题的？
这就是IDR的数据结构。

2. 原理

2.1 树

简单介绍一下树的基本概念，
具体的讲解可以看这个，也是参考链接1。
转一张很好理解的图：

node 节点：用圆圈表示，节点包含键、值、与指向后继节点的路径。
root 树根：树的起始节点，一棵树有且仅有一个树根。
leaf 树叶：树的最下层末梢节点，再无后继节点。
internal node 内部节点: 树中间的节点，承上启下，在上层与后继都有节点。
Path 路径：连结两个节点之间的直线，可以是双向箭头，也可以是单向箭头。

2.2 redix树

redix树是IDR的基础，什么是redix树呢，个人理解，就是一种2叉树。
根据一个int数的每一位是0还是1，我们可以选择向左还是向右分叉。
比如一个数据的ID是0b 10101，

但是实际上，一个redix有32位，我们也一般不会用单独的一位来做一个分支，比如IDR。

2.3 IDR

IDR是redix树的一种应用,它把一个32位的整形分成7级，每5位（或者2位）为一级。

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

这样形成的redix树，相对简洁一些，找起leaf来更加方便。

3. linux代码解读

Linux中IDR相关的代码位于： include/linux/idr.h. 在线代码
使用IDR的话，需要包含<linux/idr.h>
idr的结构体定义最新的linux版本中已经做了修改(5.10)，这里我们还是4.9的老版本分析。

结构体

struct idr {struct idr_layer __rcu   *hint;              /* 最近一个存储指针数据的的idr_layer结构*/struct idr_layer __rcu  *top;               /* idr_layer顶层, 32叉树的根 */int            layers;                         /* idr树中的idr_layer层数量   */int           cur;                            /* current pos for cyclic allocation */spinlock_t       lock;int            id_free_cnt;                    /* idr_layer空闲链表中剩余的idr_layer个数  */struct idr_layer *id_free;               /* 指向idr_layer的空闲链表 */
};struct idr_layer {int         prefix;                             /* the ID prefix of this idr_layer */int            layer;                              /* 层号  distance from leaf */struct idr_layer __rcu  *ary[1<<IDR_BITS];        /* 子idr_layer数组ary[32] */int            count;                              /* ary数组使用计数 */union {/* A zero bit means "space here" */DECLARE_BITMAP(bitmap, IDR_SIZE);            /* 标记位图,标记该idr_layer的ary数组使用情况 *//* 该数组用于保存具体的指针数据或者指向子idr_layer结构，大小为1<<8=256项 */struct rcu_head     rcu_head;};
};

函数接口是

void *idr_find_slowpath(struct idr *idp, int id);
void idr_preload(gfp_t gfp_mask);
int idr_alloc(struct idr *idp, void *ptr, int start, int end, gfp_t gfp_mask);
int idr_alloc_cyclic(struct idr *idr, void *ptr, int start, int end, gfp_t gfp_mask);
int idr_for_each(struct idr *idp,int (*fn)(int id, void *p, void *data), void *data);
void *idr_get_next(struct idr *idp, int *nextid);
void *idr_replace(struct idr *idp, void *ptr, int id);
void idr_remove(struct idr *idp, int id);
void idr_destroy(struct idr *idp);
void idr_init(struct idr *idp);
bool idr_is_empty(struct idr *idp);

这里重点看一下 idr_get_next

void *idr_get_next(struct idr *idp, int *nextidp)
{struct idr_layer *p, *pa[MAX_IDR_LEVEL + 1];struct idr_layer **paa = &pa[0];int id = *nextidp;int n, max;/* find first ent */p = *paa = rcu_dereference_raw(idp->top);if (!p)return NULL;n = (p->layer + 1) * IDR_BITS;max = idr_max(p->layer + 1);while (id >= 0 && id <= max) {p = *paa;while (n > 0 && p) {n -= IDR_BITS;p = rcu_dereference_raw(p->ary[(id >> n) & IDR_MASK]);*++paa = p;}if (p) {*nextidp = id;return p;}/** Proceed to the next layer at the current level.  Unlike* idr_for_each(), @id isn't guaranteed to be aligned to* layer boundary at this point and adding 1 << n may* incorrectly skip IDs.  Make sure we jump to the* beginning of the next layer using round_up().*/id = round_up(id + 1, 1 << n);while (n < fls(id)) {n += IDR_BITS;--paa;}}return NULL;
}

宏定义

#define idr_for_each_entry(idp, entry, id)           \for (id = 0; ((entry) = idr_get_next(idp, &(id))) != NULL; ++id)#define idr_for_each_entry_continue(idp, entry, id)           \for ((entry) = idr_get_next((idp), &(id));            \entry;                         \++id, (entry) = idr_get_next((idp), &(id)))

idr_for_each_entry 宏定义是用的比较多的，用来遍历所有的节点。
中间调用了 idr_get_next 的接口去找下一个节点，当符合筛选条件后可以选择break出来。

4. 参考链接

Radix树 — 以太坊的指南针 1.0.0 documentation (abyteahead.com)
ID Allocation 内核文档
linux内核IDR机制详解
idr机制(32叉树)—图解比较多
linux中的IDR机制—(代码注释讲解)

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