红黑树的应用场景 —— 进程调度 CFS 与内存管理

一、红黑树在操作系统中的“实战”应用

📌 1. 进程调度器：CFS（Completely Fair Scheduler）

CFS 是 Linux 的默认调度器（从 2.6.23 起），它使用红黑树维护就绪队列。

✨ 为什么用红黑树？

CFS 的目标是：让每个进程都公平地获得 CPU 时间。因此需要：

• 快速查找最“少运行”的进程；
• 快速插入新的进程；
• 快速删除终止的进程。

红黑树非常适合：

• O(log n) 插入、查找、删除；
• 有序：中序遍历就是进程运行时间从少到多排列；
• 可快速找到最小值（左子树最左节点）—— 当前最应该调度的进程。

👇 示例：

CFS 会把每个可运行进程放入红黑树中，key 是进程的“虚拟运行时间 vruntime”，值是指向进程控制块（task_struct）的指针。

每次调度器都从红黑树中找出 vruntime 最小的进程运行 —— 实现了“完全公平”。

---

📌 2. 虚拟内存管理（VMA 红黑树）

Linux 的每个进程都有一个内存区域描述符 vm_area_struct（VMA）链表，这些结构按照地址顺序排列。为了提高查找效率，Linux 使用红黑树来辅助管理。

🧠 应用场景：

• 当你 malloc() 一个新内存块；
• 当你触发 page fault；
• 当你调用 mmap() 映射文件；
  Linux 需要快速查找和修改某个虚拟地址对应的 VMA。

🔍 查找方式：

查找“某个地址属于哪个区间”，在红黑树中通过地址作为 key 可以高效进行。

---

二、图示简化（仅理解用途）

CFS 红黑树                   虚拟内存红黑树
------------                 -------------------
| vruntime: 7 |              | 0x00400000 - 0x00500000 |
| PID: 1234   |              | 代码段                  |
------------                 -------------------/                                   \子进程                               | 0x00600000 - 0x00610000 || 堆 segment              |

---

三、为什么不是 AVL/B/B+？

结构	不用的原因
AVL 树	过于严格平衡，插入删除旋转次数多，系统开销大
B/B+ 树	多路分支，适合磁盘存储，内存中二分更高效
红黑树 ✅	插入删除相对简单，平衡性足够，速度快，适合系统场景

---

四、小结：系统级红黑树应用特点

应用场景	数据结构作用	性能关键点
CFS	维护就绪进程的公平调度	最小 vruntime 查找
内存管理	查询虚拟地址区间	地址范围查找效率

---

五、思考

• 你能想象下，当一个新进程加入时，红黑树内部会如何旋转和保持平衡吗？
• 接下来我们将进入更“硬核”的内容：红黑树的数学证明与推导。