在外界看来，Linux 内核的内部似乎变化很少，尤其是像内存管理子系统（memory-management subsystem）这样的子系统。然而，开发人员时常需要更换内部接口来解决某些长期存在的问题。比如，其中一个问题就是用来保护内存管理里的重要结构的锁的竞争问题，这些重要结构是指页表（page table）和虚拟内存区域（VMA, virtual memory area）等。Liam Howlett 和 Matthew Wilcox 一直在开发一种新的数据结构，称为 "maple tree"，希望能取代目前用于 VMA 管理的数据结构。这个改动可能对内核内部结构造成巨大变化，作者已经公布了一个改动很大的 patch set 来召唤 review。
Linux 是一个虚拟内存(virtual-memory)系统。每个进程的地址空间中包含多个虚拟内存区域（VMA），都是由 vm_area_struct 结构表示。每个 vma 都代表一块连续的地址空间，并且这部分区域都是属于相同的内存类型，也就是可以是 anonymous memory（匿名内存，内容并不与某个文件对应）、memory-mapped file（内存映射文件），甚至是 device memory（设备内存）。从进程的角度来看，一个 VMA 区域都是连续的，而实际上底层的物理内存区域可能并不连续。此外，整个地址空间在各个 VMA 之间是有空洞的，当内核需要映射产生一个新的区域时（例如在加载一个库文件或者响应 mmap()调用时），内核就会从这些空洞分配出虚拟空间从而利用起来（当然还是会预留一些未映射的 "guard" page，有利于减少缓冲区溢出的危害）。
我们的系统中几乎所有工作都涉及到内存，所以对这些表示 VMA 的结构的操作必须要快。这些操作包括 lookup（查找，也就是找出哪个 VMA 是对应某个虚拟地址的、确认内存是否被 map 过，或者寻找一个空闲区域用于分配新的 VMA），以及修改（例如，增大堆栈空间）。
VMA 目前是通过一个红黑树（rbtree，red-black tree）的变种来管理的，针对红黑树来说增加了一个额外的双向链表，用来让内核遍历某个进程地址空间中的所有 VMA。内核开发者对这种数据结构的不满已经有一段时间了，原因有很多：rbtree 不能很好地支持范围（ranges），难以用 lockless（不需要获取锁）的方式来进行操作（rbtree 需要进行 balance 操作，这会同时影响多个 item），而且 rbtree 遍历的效率很低，这也是为什么需要一个额外的双向链表。
对 VMA 的操作会使用一个 lock 来保护（具体来说是一个 reader/writer semaphore），这个 lock 位于 struct mm_struct 中，此前名为 mmap_sem，2020 年 6 月的 5.8 版本将其改名为 mmap_lock。改名是为了能将对这个 lock 的操作都用 API 包装起来，希望将来替换的时候方便。
用户经常会碰到争抢这个 lock 的情况，尤其是那些在大型系统中使用多线程应用的用户。内核开发者已经多次讨论过这个问题，在 2019 年的 Linux Storage, Filesystem, and Memory-Management Summit (LFSMM) 峰会上至少有三次讨论过这个问题。问题的核心是，许多操作都需要获取 lock，这包括几乎全部的涉及 page table 和 VMA 的操作。还有其他一些相关的结构事实上也被 mmap_lock 地保护起来（麻烦的是相关文档也是缺失的）。开发者们在做的事情除了将不相关的结构从 mmap_lock 保护下拆分出来之外，还在考虑使用一个结构能允许 VMA 的访问变成 lockless 模式，或者使用某种类型的 range lock。当时有人提出了 maple tree 结构作为解决方案之一，但当时 maple tree 还处于早期开发状态，代码还没有完成。
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Introducing maple trees
maple tree（取这个名字可能是借用了枫叶的形状，意指能走向多个方向）与 rbtrees 有根本性的差异。它们属于 B-tree 类型(
https://en.wikipedia.org/wiki/B-tree)，也就是说它们的每个节点可以包含两个以上的元素，leaf node（叶子节点）中最多包含 16 个元素，而 internal node（内部节点）中最多包含 10 个元素。使用 B-trees 也会导致很少需要创建新的 node，因为 node 可能包含一些空余空间，可以随着时间的推移而填充利用起来，这就不需要额外进行分配了。每个 node 最多需要 256 字节，这是常用的 cache line size 的整数倍。node 中增加的元素数量以及 cache-aligned size 就意味着在遍历树时会减少 cache-miss。
maple tree 对搜索过程也有改进，同样是来自于 B-tree 结构特点。在 B-tree 中，每个 node 都有一些 key 键值，名为 "pivot"，它会将 node 分隔成 subtree（子树）。在某个 key 之前的 subtree 只会包含小于等于 key 的数据，而这个 key 之后的子树只包含大于 key 的值（并且小于下一个 key 值）。
当然，maple tree 的设计中也是按照 lockless 方式的要求来的，使用 read-copy-update (RCU) 方式。maple tree 是一个通用结构，可以用在内核的不同子系统中。第一个用到 maple tree 的地方就是用来替换 VMA 管理中用到的 rbtree 和双向链表。作者之一 Liam Howlett 在一篇博客中解释了设计由来(
https://blogs.oracle.com/linux/the-maple-tree)。
Maple tree 提供了两组 API：一个是简单 API ，一个是高级 API。简单 API 使用 mtree_前缀来标记相关功能，主结构 struct maple_tree 定义如下：
struct maple_tree {
spinlock_t ma_lock;
unsigned int ma_flags;
void __rcu *ma_root;
};需要静态初始化（static initialize）的话，可以使用 DEFINE_MTREE(name) 和 MTREE_INIT(name，flags)，后者会的 flags 目前只定义了两个 bit 选项，其中 MAPLE_ALLOC_RANGE 表示该树将被用于分配 range，并且需要把多个分配区域之间的空间（gap）管理起来；MAPLE_USE_RCU 会激活 RCU mode，用在多个 reader 的场景下。mtree_init() API 也使用相同的 flags，不过是用在动态初始化（dynamic initialization）场景：
void mtree_init(struct maple_tree *mt, unsigned int ma_flags);开发者可以用这个函数来 free 整个 tree：
void mtree_destroy(struct maple_tree *mt);可以用三个函数来给树增加条目：mtree_insert()、mtree_insert_range()和 mtree_store_range()。前两个函数只有在条目不存在的情况下才会添加，而第三个函数可以对现有的条目进行覆盖。它们的定义如下：
int mtree_insert(struct maple_tree *mt, unsigned long index,
void *entry, gfp_t gfp);
int mtree_insert_range(struct maple_tree *mt, unsigned long first,
unsigned long last, void *entry, gfp_t gfp);
int mtree_store_range(struct maple_tree *mt, unsigned long first,
unsigned long last, void *entry, gfp_t gfp);mtree_insert()的参数 mt 是指向 tree 的指针，index 就是 entry index，entry 是指向一个条目的的指针，有必要的话可以利用 gfp 来指定新增 tree node 的内存分配参数（memory allocation flag）。mtree_insert_range() 会利用给出的 entry 数据来插入从 first 到 last 的一个 range 范围。这些函数成功时返回 0，否则返回负值，如果返回-EEXIST 就表示 key 已经存在。mtree_store_range()与 mtree_insert_range()接受的参数相同，不同的是，它会替换相应 key 的任何现有条目。
有两个函数可以用来从 tree 中获取一个条目或删除一个条目：
void *mtree_load(struct maple_tree *mt, unsigned long index);
void *mtree_erase(struct maple_tree *mt, unsigned long index);要读取一个条目的话，可以使用 mtree_load()，它的参数是一个指向 tree 的指针 mt ，以及所要读取的数据的键值 index。该函数会返回一个指向该条目的指针，如果在 tree 中没有找到键值，则返回 NULL。mtree_erase() 也是同样的语法，用于从 tree 中删除一个 entry。它会从 tree 中删除给定的 key，并返回相关的 entry，如果没有找到，则返回 NULL。
简单的 API 不止上面这些，还有比如 mtree_alloc_range() 可以用来从 key space 中分配一个 range。而高级 API (用 mas_ 前缀标记出来了) 则额外增加了遍历整个 tree 的迭代函数，以及使用 state variable 来访问后一个或者前一个元素。通过这种细粒度的操作，开发者就可以根据需要来恢复中断了的搜索。还有供开发人员找到空闲区域或者对 tree 进行复制操作的 API。
Replacing the VMA rbtree (and more)
patch set 中不仅仅是引入了 maple tree。着重需要指出的是，这组 patch set 中有很大一部分是增加修改测试代码，考虑到这个改动会带来的巨大影响，以及新的数据结构在未来的重要性，这些测试代码是非常值得鼓励的。
这组 patch set 中有 70 个 patch 将 VMA 的所有操作中的 rbtree 操作换成了 maple tree，其中一个 patch 彻底在 VMA 中禁用了 rbtree。patch set 中另一部分代码移除了 VMA 里的双向链表。这个改动需要修改内核中所有直接地使用了 VMA 链表的代码：体系架构相关代码，core dump 代码，program 加载代码，一些设备驱动程序等，当然还有 memory-management 代码。patch set 里还删除了 VMA cache（用来跟踪每个进程最近访问过的 VMA，从而加快 lookup 速度），这是因为使用 maple tree 实现后速度更快，不再需要 VMA cache 了。
Patch set 的第一封邮件中还包括了一些性能数据 ，不过结果有些难以理解。一些 microbenchmark 的结果说明性能提升了，而其他一些（数量较少）则说明性能下降了。编译内核的时间与 5.10 内核本身相类似，只是多执行了几条指令（可能与添加的代码有关）。Howlett 希望大家给些建议如何对这些结果进行更深入的分析。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-441688.html
Current status and next steps
目前 Maple tree 还处于 RFC 阶段，有一些缺点。比如说，目前的实现不支持 32 位系统或 non-MMU 的平台。不过，这些代码已经可以实际用起来了，内核开发者们可以研究一下，从而决定是否符合他们期望的方向（因为这组 patch set 并没有去掉 mmap_lock ）。这个 patch set 太大了，可能需要不少时间才能完成 review。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-441688.html
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