In der Welt der Informatik und Softwareentwicklung sind effiziente Datenstrukturen entscheidend, um Leistung und Ressourcenverbrauch optimal auszubalancieren. Die Compact Elastic Binary Trees, kurz Cebtree, stellen eine bedeutende Weiterentwicklung traditioneller binärer Suchbäume dar, die speziell darauf ausgelegt sind, Speicherplatz zu sparen und gleichzeitig zuverlässige sowie schnelle Operationen zu ermöglichen. Hinter diesem Konzept steht eine komplexe Geschichte von Experimenten, Analysen und praktischen Erfahrungen, die zu einer ausgereiften Datenstruktur geführt haben, welche inzwischen in diversen Softwarebereichen eingesetzt wird. Die Ursprünge der Cebtree gehen zurück auf die Weiterentwicklung von Elastic Binary Trees (ebtrees), bei denen der Fokus auf optimale Balance zwischen Suchgeschwindigkeit und speichereffizienter Verwaltung von Knoten lag. Ein wesentlicher Unterschied zu klassischen Strukturen liegt darin, dass Cebtrees auf zwei Zeigern pro Knoten begrenzt sind, was auf 64-Bit-Systemen eine Speicherersparnis bedeutet.
Während traditionelle ebtrees etwa 40 bis 48 Bytes pro Knoten verbrauchen, kommen Cebtrees mit nur 16 Bytes aus, was gerade bei großen Datenmengen erhebliche Vorteile bringt. Die ursprüngliche Herausforderung bestand darin, diesen eingeschränkten Speicherplatz mit der Fähigkeit zu kombinieren, auch doppelte Schlüssel zu verwalten, eine Funktion, die in vielen praktischen Anwendungen besonders relevant ist. Historisch gesehen begann die Entwicklung mit selbstorganisierenden Bäumen, die mit doppelten Einträgen umgehen konnten, ohne dass nach oben im Baum navigiert werden musste. Die Erkenntnis, dass viele Operationen im Baum ohne das Speichern der Knoten-Tiefe auskommen, lieferte die Grundlage, Nodes doppelt – als Knoten und als Blatt – zu behandeln und so mit minimalem Overhead die Struktur flexibel zu halten. Ein innovativer Ansatz, der später in Cebtree Einzug hielt, ist die Verwendung von XOR-Operationen zwischen Schlüsseln und Knoten-Positionen, um effiziente Vergleiche und Suchvorgänge zu ermöglichen.
Durch das Vergleichen von XOR-Werten zwischen dem gesuchten Schlüssel und den Knoten konnte schnell festgestellt werden, ob der gesuchte Wert weiter unten im Baum vorhanden sein konnte oder nicht. Dieses Verfahren störte die Notwendigkeit, zusätzliche Tiefe-Informationen zu speichern und reduzierte damit den Speicherbedarf weiter. Im Laufe der Jahre wurde klar, dass diese XOR-Technik nicht nur effizienter, sondern auch äußerst robust ist, insbesondere im Umgang mit großen Datenmengen und komplexen Suchanfragen. Trotz dieser Fortschritte dauerte es jedoch einige Zeit, bis das Konzept der Cebtree voll zur Reife gelangte. Ein entscheidender Impuls kam 2014 mit der Idee, Cebtrees in einem speicherplatzsparenden Allokator namens „wdalloc“ einzusetzen.
In diesem Szenario wurde die Knotenschlüssel direkt auf die Speicheradressen der zu verwaltenden Blöcke abgebildet, was eine einfache und Speicherplatz sparende Verwaltung von Speicherblöcken erlaubte. Das Ergebnis war eine Struktur, die nur zwei Zeiger pro Eintrag benötigte, ohne dabei an Funktionalität einzubüßen. Die damit einhergehenden Performance-Einbußen gegenüber existierenden Allokatoren waren zwar spürbar, aber das Prinzip der extrem kompakten Baumstruktur war damit bewiesen. In den Folgejahren wurde intensiv an einer Zusammenführung und Verfeinerung des Codes gearbeitet, wobei Herausforderungen wie die Unterstützung von doppelten Schlüsseln und die Integration in bestehende Systeme im Fokus standen. Die Komplexität der damaligen Arbeitszweige erschwerte diese Bemühungen, sodass die Umsetzung erst nach dem Neustart des Projekts im Jahr 2023 wesentliche Fortschritte machte.
Das Konzept der Nutzung von verketteten Listen zur Verwaltung von doppelten Schlüsseln innerhalb des Baumes stellt eine wesentliche Innovation dar. Dabei werden neue Einträge zwischen dem vorherigen Blatt und dem verweisenden Knoten eingefügt. Diese sogenannten Listenelemente fungieren als Platzhalter und ermöglichen es, beliebig viele Duplikate zu verwalten, ohne dass zusätzliche Speichereinheiten benötigt werden. Dieses Prinzip garantiert, dass Duplikate in der Reihenfolge ihrer Einfügung erhalten bleiben – ein entscheidendes Merkmal für bestimmte Anwendungen, bei denen die Reihenfolge der Daten von Bedeutung ist. Eine weitere bedeutende Verbesserung ist die Einführung von als „Tagged Pointers“ bekannten Markierungen.
Diese markieren spezifisch die Blätter des Baumes und erlauben es, Suchvorgänge effizienter zu gestalten, indem bereits geprüfte Teile des Schlüssels nicht erneut betrachtet werden müssen. Das macht insbesondere bei langen Zeichenketten einen erheblichen Unterschied in puncto Suchgeschwindigkeit. Im Vergleich zum Vorgänger ebtrees bleibt Cebtree zwar etwas langsamer bei großem Datenvolumen und komplexen Keys, punktet jedoch mit deutlich geringerem Speicherbedarf pro Knoten. Gerade bei kleinen bis mittelgroßen Schlüsseln ist die Performance dank besserer Cache-Auslastung und geringerem Speicherverbrauch teilweise sogar besser als bei klassischen ebtrees. Eine der bemerkenswerten Anwendungen dieser Baustruktur findet sich im Load Balancer HAProxy.
Dort konnte die Indizierung von Variablen, die zuvor mittels weniger speichereffizienter Listen realisiert wurde, durch Einsatz von Cebtree um 37 Prozent beschleunigt werden, ohne dass der Speicherbedarf anstieg. Dies macht Cebtree besonders attraktiv für Umgebungen, in denen sowohl Geschwindigkeit als auch Speicher optimiert werden müssen – etwa bei der Verwaltung von Konfigurationsobjekten, ACLs, Timern oder großen Mengen an IP-Adressdaten. Neben Effizienzfragen wurde von Anfang an auch an eine parallele Nutzung der Datenstruktur gedacht. Während heute keine echte parallele Löschung unterstützt wird, werden Konzepte wie aufrüstbare Read-Write-Sperren und sogar Read-Copy-Update-Mechanismen (RCU) diskutiert, um zukünftig auch in Multi-Threading-Umgebungen eine effiziente Handhabung zu gewährleisten. Außerdem wird an der Integration von relativen Zeigern gearbeitet, um die Bäume direkt in Speicherabbildern oder Dateien abbilden zu können.
Dies eröffnet Perspektiven für den Einsatz in speicher-mapped Dateien, was eine hohe Bedeutung für Protokollierungssysteme und persistente Datenhaltung besitzt. Die Entwicklung von Cebtree ist auch ein Beispiel für die Rückbesinnung auf einfache und wartbare Programmieransätze. Während frühere Versuche, ebtrees stark zu faktorisieren und zu verallgemeinern, häufig zu komplizierter und schwer wartbarer Software führten, setzen die Entwickler bei Cebtree auf klare APIs, explizite Trennung zwischen Baumtypen mit doppelten und eindeutigen Schlüsseln und minimalistisch gestaltete Knotenstrukturen. Dadurch hat die Codebasis nicht nur an Qualität gewonnen, sondern ist auch leichter erweiterbar und in bestehende Projekte integrierbar. Zukunftsvisionen sehen vor, dass ebtrees und Cebtree in einem gemeinsamen Projekt zusammengeführt werden könnten, wobei Cebtree die Basis für kompakte und flexible Baumstrukturen bietet.
Die Liste möglicher Weiterentwicklungen reicht von der Unterstützung von Elternzeigern für bessere Navigationsmöglichkeiten über Lock-freie oder selbstsperrende Implementierungen bis hin zur idealen Lösung für Scheduler und Anwender mit häufigen Duplikaten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Compact Elastic Binary Trees eine bemerkenswerte Innovation im Bereich der Datenstrukturen darstellen. Sie verbinden durch ihre kompakte Bauweise und intelligente Algorithmen Effizienz mit einer hohen Funktionalität. Ihr Einsatz in realen Projekten wie HAProxy zeigt, dass sie nicht nur theoretisch interessant, sondern auch praktisch relevant sind. Für Entwickler, die mit großen Datenmengen arbeiten, bietet Cebtree eine elegante Alternative zu klassischen Bäumen, bei gleichzeitig geringerem Speicherverbrauch und gleichbleibender Funktionalität.
Die weiterhin aktive Entwicklung verspricht, dass Cebtree in den kommenden Jahren eine immer größere Rolle in der Softwarelandschaft spielen wird, insbesondere da Speicher und Performance auch in modernen Systemen immer wieder Schlüsselressourcen bleiben.
