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。
