Linux6.1中为什么用Radix树替换位图（bitmap）来管理进程pid

在过去的几十年中，Linux内核为了有效地管理进程，采用了位图（bitmap）数据结构来记录和跟踪进程的PID。我们知道Linux支持的最大进程数量为65535个，那么用位图来表示的话只需要16位bit就够了，这大大节约了内存空间，随着系统规模的扩大和复杂性增加，尤其是云计算、容器等新兴虚拟化技术大爆发的时代中，操作系统经常会在短时间内快速创建或者销毁大量进程，在这种场景下位图的全面查找时性能问题就逐渐暴露出来了。为了解决这些问题，Linux内核逐渐采用radix树（radix-tree）来替代位图，对进程PID进行管理，这个替换的思路就是用空间换时间。

Radix树及在Linux pid中的使用方式简介

radix tree是一种多叉搜索树，树的叶子结点是实际的数据条目。每个结点有一个固定的、2^n指针指向子结点。Radix树的基本概念如下：

1.节点

Radix树由节点组成，每个节点表示一个键值。

2.边

每个节点有零个或多个子节点，这些子节点通过边相连。

3.层级

从根节点到任意一个节点的路径上的节点数量称为该节点的层级。

4.深度

Radix树的深度是指根节点到任意一个节点的最长路径上的节点数量。

5.Radix树在Linux Pid中的具体应用方式

如我们刚刚所说Linux中的进程数量最大就是2^16个。在LinuxPID中使用时Radix树的深度固定为3，其中建模方式就是把16位的数据分为三组，其中第一层、第二层和第三层分别表示PId的前4位，中6位及后6位。

假设在一个操作系统中已经用掉了0-3个进程PID，此时新进程开始申请PID的情况举例，此时现有4个进程的PID分为是0000 000000 000000、0000 000000 000001、0000 000000 000010、0000 000000 000011，那么此时Radix树中只有第一层中只0000节点下有子节点000000，而二层子节点000000下有四个子节点000000、000001、000010、000011，此时申请新的PID只需要在0000的二层节点000000下再增加一个叶节点000100即可。

6.Radix树和前缀树的比较

从上面的情况我们可以看到前缀树只支持前缀查询的树形结构，查询时只能找到以该前缀开头的所有字符串。而Radix树则类似于嵌套编码的前缀树，支持全前缀查询的树形结构，查询时可以找到以该前缀开头的所有字符串，并可进一步缩小查询范围。

Radix树相比于BITMAP在PID管理中的优势

1. 海量进程申请时的性能更佳

位图在处理大量PID时，其效率会显著下降。因为位图的每一位只能表示一个PID，所以当系统中有大量进程时，位图会变得非常大，导致内存和CPU资源的大量消耗。而radix树是一种自平衡的树形数据结构，能够高效地管理大量进程PID，无论系统规模大小，都能保持较低的复杂性和良好的性能。

2.PID查询搜索时性能更强

在位图中搜索特定的PID时，需要按位逐一检查，因此搜索时间会随着位图的增大而增加。而radix树具有优秀的搜索性能，通过将PID按照一定的前缀排序并存储在树中，可以快速定位到指定的PID，减少了搜索时间。

3.未来扩展时更具灵活性

目前LINUX的进程数量限定在65535以内，但一旦未来林纳斯同志要打破这一限定，那么位图就要处理变长的PID了，这时需要调整位图的长度，较为繁琐。而radix树可以灵活地管理不同长度的PID，只需要调整树的结构和节点即可。此外，radix树还支持按需扩展和收缩节点，以适应系统负载的变化。

4.并发性更强

在现代多核处理器系统中，对进程PID的管理需要支持并发访问和修改。位图在并发环境中可能会出现竞争条件和死锁等问题。而radix树通过采用锁或其他并发控制机制，能够支持多线程并发访问和修改，提高了系统的并发性能。

综上所述，radix树在管理进程PID方面具有优秀的扩展性、效率、搜索性能、因此，现代Linux内核逐渐采用radix树来替换位图，以更好地满足实际应用场景中对进程PID管理的需求。