内存池原理：内存池预申请一块比较大的连续内存空间，当外部向内存池申请内存分配时，内存池从连续内存空间中，划分一部分出去，剩下部分是空闲的空间，当有新的分配，再划分一部分出去，直到内存池中没有足够的内存空间分配给新的申请，那么内存池再申请新的连续内存块。当然内存池分配出去的内存，也会回收使它重新成为空闲空间，重复利用。这样，内存池避免频繁向内核申请/释放内存，从而提高系统性能。
nginx 内存池源码(ngx_palloc.c)，通过链式管理大小内存块，实现内存管理。
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内存池使用测试
ngx_palloc.c 代码耦合不是很大，可以扣出来用 gdb 跟踪其工作流程。
int main() {
ngx_pool_t *pool = ngx_create_pool(2 * 1024);
void *p = ngx_palloc(pool, 256);
void *p2 = ngx_palloc(pool, 1024);
void *p3 = ngx_palloc(pool, 1024);
void *p4 = ngx_palloc(pool, 256);
void *p5 = ngx_palloc(pool, 1024);
void *p6 = ngx_palloc(pool, 1024);
void *p7 = ngx_palloc(pool, 4 * 1024);
ngx_pool_cleanup_t *c = (ngx_pool_cleanup_t *)ngx_pool_cleanup_add(pool, 0);
memcpy(p, "hello world!", strlen("hello world!") + 1);
c->handler = test_cleanup;
c->data = p;
ngx_destroy_pool(pool);
return 0;
}
内存池
nginx 内存池
设计图来源：《nginx 内存池结构图》
内存池数据结构
nginx 内存池，将大小内存的分配分开管理：
-
ngx_pool_data_t链表管理小内存块。 -
ngx_pool_large_t链表管理大内存块。 - 系统小内存的申请频率比较高，分配的粒度比较小，容易在一块连续空闲内存上进行多次分配。
- 大内存分配频率相对较低，而且在一块有限的连续内存上，可分配次数比较少，这样会产生比较大的碎片。
这样，nginx 将大小内存的申请分开管理，逻辑更清晰，复杂度降低了，效率更高。
typedef struct ngx_pool_s ngx_pool_t;
struct ngx_pool_s {
ngx_pool_data_t d; // 小内存块数据链表
size_t max; // 小内存块最大空间长度
ngx_pool_t *current;// 当前小内存块
ngx_chain_t *chain; // 内存缓冲区链表（不详细分析）
ngx_pool_large_t *large; // 大内存块数据链表
ngx_pool_cleanup_t *cleanup;// 释放内存池回调链表
ngx_log_t *log; // 日志
};
小内存块
小内存块通过链表进行管理，内存分配过程，涉及到结点上空闲内存匹配是链表的遍历，复杂度是 ，为了提高效率，增加了
failed 分配内存失败次数统计（具体逻辑在分配函数里）
typedef struct {
u_char *last;
u_char *end;
ngx_pool_t *next;
ngx_uint_t failed;
} ngx_pool_data_t;
大内存块
大内存块由单向链表管理，没有复杂的空闲内存管理逻辑。
typedef struct ngx_pool_large_s ngx_pool_large_t;
struct ngx_pool_large_s {
ngx_pool_large_t *next;
void *alloc;
};
内存文件
struct ngx_chain_s {
ngx_buf_t *buf;
ngx_chain_t *next;
};
接口
- 对外接口
| 接口 | 描述 |
|---|---|
| ngx_create_pool | 创建内存池。 |
| ngx_destroy_pool | 释放内存池。 |
| ngx_reset_pool | 重置内存池。 |
| ngx_memalign | 内存对齐申请空间。 |
| ngx_palloc | 分配内存。 |
| ngx_pfree | 释放存块。 |
- 私有接口
| 接口 | 描述 |
|---|---|
| ngx_palloc_small | 分配小内存，内存池有足够空闲空间，从空闲空间分配，否则内存池申请新的小内存块进行分配。 |
| ngx_palloc_block | 分配小内存块块。 |
| ngx_palloc_large | 申请大块内存块。 |
创建内存池
ngx_int_t
ngx_os_init(ngx_log_t *log) {
...
ngx_pagesize = getpagesize();
...
}
//
#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL (ngx_pagesize - 1)
// 数据对齐有利于提高 cpu 读数据效率。
#define NGX_POOL_ALIGNMENT 16
// size 参数是小内存块大小。
ngx_pool_t *
ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log) {
ngx_pool_t *p;
// 分配 16 字节对齐的内存空间。
p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log);
if (p == NULL) {
return NULL;
}
// 小内存块内存空间结构 (数据结构信息头 + 已分配内存 + 空闲内存)。
p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
p->d.end = (u_char *) p + size;
p->d.next = NULL;
p->d.failed = 0;
// 小块内存大小，空闲内存最大小于 page size。
size = size - sizeof(ngx_pool_t);
p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
// 起始位置，指向初始结点。
p->current = p;
p->chain = NULL;
p->large = NULL;
p->cleanup = NULL;
p->log = log;
return p;
}
释放内存池
除了对大小内存块数据进行释放，还增加了回调操作的设计，方便开发者进行部分具体的业务处理。
void
ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool) {
ngx_pool_t *p, *n;
ngx_pool_large_t *l;
ngx_pool_cleanup_t *c;
// 释放回调处理。
for (c = pool->cleanup; c; c = c->next) {
if (c->handler) {
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
"run cleanup: %p", c);
c->handler(c->data);
}
}
// 释放大内存块
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
ngx_free(l->alloc);
}
}
// 释放小内存块
for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
ngx_free(p);
if (n == NULL) {
break;
}
}
}
内存对齐申请空间
内存对齐，涉及到 cpu 工作效率，是高性能系统不可缺少的一环。
#if (NGX_HAVE_POSIX_MEMALIGN)
void *
ngx_memalign(size_t alignment, size_t size, ngx_log_t *log) {
void *p;
int err;
err = posix_memalign(&p, alignment, size);
if (err) {
ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, err,
"posix_memalign(%uz, %uz) failed", alignment, size);
p = NULL;
}
ngx_log_debug3(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0,
"posix_memalign: %p:%uz @%uz", p, size, alignment);
return p;
}
#elif (NGX_HAVE_MEMALIGN)
void *
ngx_memalign(size_t alignment, size_t size, ngx_log_t *log) {
void *p;
p = memalign(alignment, size);
if (p == NULL) {
ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, ngx_errno,
"memalign(%uz, %uz) failed", alignment, size);
}
ngx_log_debug3(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0,
"memalign: %p:%uz @%uz", p, size, alignment);
return p;
}
#else
#define ngx_memalign(alignment, size, log) ngx_alloc(size, log)
#endif
#ifndef NGX_ALIGNMENT
#define NGX_ALIGNMENT sizeof(unsigned long) /* platform word */
#endif
分配内存
如果分配的内存在小内存块空间范围内，就通过小内存块空闲链表中分配，否则直接分配到大内存块链表中。
void *
ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size) {
#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)
if (size <= pool->max) {
return ngx_palloc_small(pool, size, 1);
}
#endif
return ngx_palloc_large(pool, size);
}
pool->max 查看 ngx_create_pool 的实现：
size = size - sizeof(ngx_pool_t);
p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
分配小内存
满足条件 size <= pool->max 的小内存的空间分配，遍历小内存块链表，从已分配的空间中查找合适的空闲空间进行分配，否则再创建新的小内存块进行匹配。
static ngx_inline void *
ngx_palloc_small(ngx_pool_t *pool, size_t size, ngx_uint_t align) {
u_char *m;
ngx_pool_t *p;
// 遍历查找起始位置。
p = pool->current;
do {
// 从小内存块中，查找剩余空间，检查是否有足够的剩余空间分配。
m = p->d.last;
if (align) {
// 从 m 开始，计算以NGX_ALIGNMENT对齐的偏移位置指针。
m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
}
// 如果有足够空间，就返回分配的空间，空闲内存减少 size 大小
if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {
p->d.last = m + size;
return m;
}
// 检查下一个结点
p = p->d.next;
} while (p);
// 遍历链表后找不到合适的空闲空间，申请新的内存块。
return ngx_palloc_block(pool, size);
}
分配小内存块
static void *
ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size) {
u_char *m;
size_t psize;
ngx_pool_t *p, *new;
// 获取小内存块链表第一个块内存空间大小。
psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);
// 分配 16字节对齐的空间。
m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
if (m == NULL) {
return NULL;
}
// 设置新结点信息。
new = (ngx_pool_t *) m;
new->d.end = m + psize;
new->d.next = NULL;
new->d.failed = 0;
// 数据结构信息头后存储空闲数据。
m += sizeof(ngx_pool_data_t);
// 从 m 开始，计算以NGX_ALIGNMENT对齐的偏移位置指针。
m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
// 分配 size 大小的空闲空间出去。
new->d.last = m + size;
// 原来的内存块结点均分配失败，要将失败的分配记录下来。
for (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {
if (p->d.failed++ > 4) {
pool->current = p->d.next;
}
}
// 新的空闲内存块结点添加到链表末尾
p->d.next = new;
return m;
}
申请大块内存
大块内存已分配的大块数据，除了内存块头部信息是可以重复利用的，数据不会重复利用，不用将被 ngx_pfree 释放掉。
static void *
ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size) {
void *p;
ngx_uint_t n;
ngx_pool_large_t *large;
p = ngx_alloc(size, pool->log);
if (p == NULL) {
return NULL;
}
n = 0;
// 重复利用已分配的大内存块结点信息。
for (large = pool->large; large; large = large->next) {
if (large->alloc == NULL) {
large->alloc = p;
return p;
}
// 防止大量的链表遍历降低效率（粒度那么小，会不会造成大量碎片？）。
if (n++ > 3) {
break;
}
}
// 为数据结构申请空间。
large = ngx_palloc_small(pool, sizeof(ngx_pool_large_t), 1);
if (large == NULL) {
ngx_free(p);
return NULL;
}
// 新结点插入到表头，有点像 lru，将活跃数据放到前面去。
large->alloc = p;
large->next = pool->large;
pool->large = large;
return p;
}
释放大内存块
只是释放数据，没有释放块的数据结构头。为了重复利用数据结构头信息，所以释放数据并没有删除链表结点，这里通过链表遍历进行删除，效率会不会很低。
ngx_int_t
ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p) {
ngx_pool_large_t *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (p == l->alloc) {
ngx_free(l->alloc);
l->alloc = NULL;
return NGX_OK;
}
}
return NGX_DECLINED;
}
重置内存池
void
ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool) {
ngx_pool_t *p;
ngx_pool_large_t *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
ngx_free(l->alloc);
}
}
// 每个小内存块空闲内存指针，指向数据结构头后面
for (p = pool; p; p = p->d.next) {
p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
p->d.failed = 0;
}
pool->current = pool;
pool->chain = NULL;
pool->large = NULL;
}
问题
nginx 的内存池实现足够精简高效，但是依然有些问题不能兼顾到：
- 链表管理：
链表的查找遍历时间复杂度是。
ngx_pfree效率不高。 - 小内存块链表，current 问题：
当遇到密集地分配比较大的小内存场景时，导致已分配结点，分配失败，failed 次数增加。current 指向新的结点，由于是单向链表，前面的结点其实还有足够的空闲空间分配给其它小内存的，导致空闲空间利用率不高。 - 大内存块链表，重复利用已分配的信息头问题：
遍历粒度很小，是否会产生大量内存碎片。 - 小内存回收问题：
内存池只对大内存块进行内存回收，并没有小内存块的内存回收管理。只有ngx_reset_pool，ngx_destroy_pool是对其进行销毁处理的。
所以综合以上问题，这个内存池只适合于轻量级的内存管理。
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