zoukankan      html  css  js  c++  java

  • 菜鸟nginx源码剖析数据结构篇（九） 内存池ngx_pool_t[转]

    菜鸟nginx源码剖析数据结构篇（九） 内存池ngx_pool_t

    • Author：Echo Chen（陈斌）

    • Email：chenb19870707@gmail.com

    • Blog：Blog.csdn.net/chen19870707

    • Date：Nov 11th, 2014

      今天是一年一度的光棍节，还没有女朋友的程序猿童鞋不妨new一个出来，内存管理一直是C/C++中最棘手的部分，远不止new/delete、malloc/free这么简单。随着代码量的递增，程序结构复杂度的提高。今天我们就一起研究一下以精巧著称的nginx的内存池。

      1.源代码位置

      头文件：http://trac.nginx.org/nginx/browser/nginx/src/core/ngx_palloc.h

      源文件：http://trac.nginx.org/nginx/browser/nginx/src/core/ngx_palloc.c

      2.数据结构定义

      先来学习一下nginx内存池的几个主要数据结构：

          ngx_pool_data_t（内存池数据块结构）

       

         1: typedef struct {
         2:     u_char               *last;        
         3:     u_char               *end;
         4:     ngx_pool_t           *next;
         5:     ngx_uint_t            failed;
         6: } ngx_pool_data_t;
      • last：是一个unsigned char 类型的指针，保存的是/当前内存池分配到末位地址，即下一次分配从此处开始。
      • end：内存池结束位置；
      • next：内存池里面有很多块内存，这些内存块就是通过该指针连成链表的，next指向下一块内存。
      • failed：内存池分配失败次数。

      ngx_pool_s（内存池头部结构）

         1: struct ngx_pool_s {
         2:     ngx_pool_data_t       d;
         3:     size_t                max;
         4:     ngx_pool_t           *current;
         5:     ngx_chain_t          *chain;
         6:     ngx_pool_large_t     *large;
         7:     ngx_pool_cleanup_t   *cleanup;
         8:     ngx_log_t            *log;
         9: };
      • d：内存池的数据块；
      • max：内存池数据块的最大值；
      • current：指向当前内存池；
      • chain：该指针挂接一个ngx_chain_t结构；
      • large：大块内存链表，即分配空间超过max的情况使用；
      • cleanup：释放内存池的callback
      • log：日志信息

      由ngx_pool_data_t和ngx_pool_t组成的nginx内存池结构如下图所示：

      201210171140066270

      3.相关函数介绍

      在分析内存池方法前，需要对几个主要的内存相关函数作一下介绍:

      ngx_alloc：（只是对malloc进行了简单的封装）

         1: void *
         2: ngx_alloc(size_t size, ngx_log_t *log)
         3: {
         4:     void  *p;
         5:  
         6:     p = malloc(size);
         7:     if (p == NULL) {
         8:         ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, ngx_errno,
         9:                       "malloc(%uz) failed", size);
        10:     }
        11:  
        12:     ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0, "malloc: %p:%uz", p, size);
        13:  
        14:     return p;
        15: }

      ngx_calloc：（调用malloc并初始化为0）

         1: void *
         2: ngx_calloc(size_t size, ngx_log_t *log)
         3: {
         4:     void  *p;
         5:  
         6:     p = ngx_alloc(size, log);
         7:  
         8:     if (p) {
         9:         ngx_memzero(p, size);
        10:     }
        11:  
        12:     return p;
        13: }

      ngx_memzero：

         1: #define ngx_memzero(buf, n)       (void) memset(buf, 0, n)

      ngx_free ：

         1: #define ngx_free          free

      ngx_memalign：

         1: void *
         2: ngx_memalign(size_t alignment, size_t size, ngx_log_t *log)
         3: {
         4:     void  *p;
         5:     int    err;
         6:  
         7:     err = posix_memalign(&p, alignment, size);
         8:  
         9:     if (err) {
        10:         ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, err,
        11:                       "posix_memalign(%uz, %uz) failed", alignment, size);
        12:         p = NULL;
        13:     }
        14:  
        15:     ngx_log_debug3(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0,
        16:                    "posix_memalign: %p:%uz @%uz", p, size, alignment);
        17:  
        18:     return p;
        19: }
    • 这里alignment主要是针对部分unix平台需要动态的对齐，对POSIX 1003.1d提供的posix_memalign( )进行封装，在大多数情况下，编译器和C库透明地帮你处理对齐问题。nginx中通过宏NGX_HAVE_POSIX_MEMALIGN来控制；调用posix_memalign( )成功时会返回size字节的动态内存，并且这块内存的地址是alignment的倍数。参数alignment必须是2的幂，还是void指针的大小的倍数。返回的内存块的地址放在了memptr里面，函数返回值是0.
    •  

      4.内存池基本操作

      • 内存池对外的主要方法有：
    • 创建内存池 ngx_pool_t *  ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log);
      销毁内存池 void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool);
      重置内存池 void ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool);
      内存申请（对齐） void *  ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);
      内存申请（不对齐） void *  ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);
      内存清除 ngx_int_t  ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p);

       

    •  

    • 4.1 创建内存池ngx_create_pool

      ngx_create_pool用于创建一个内存池，我们创建时，传入我们的需要的初始大小：

    •    1: ngx_pool_t *
         2: ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
         3: {
         4:     ngx_pool_t  *p;
         5:     
         6:     //以16（NGX_POOL_ALIGNMENT）字节对齐分配size内存
         7:     p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log);
         8:     if (p == NULL) {
         9:         return NULL;
        10:     }
        11:  
        12:     //初始状态：last指向ngx_pool_t结构体之后数据取起始位置
        13:     p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
        14:     //end指向分配的整个size大小的内存的末尾
        15:     p->d.end = (u_char *) p + size;
        16:     
        17:     p->d.next = NULL;
        18:     p->d.failed = 0;
        19:  
        20:     size = size - sizeof(ngx_pool_t);
        21:     //#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL  (ngx_pagesize - 1)，内存池最大不超过4095，x86中页的大小为4K
        22:     p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
        23:  
        24:     p->current = p;
        25:     p->chain = NULL;
        26:     p->large = NULL;
        27:     p->cleanup = NULL;
        28:     p->log = log;
        29:  
        30:     return p;
        31: }

    • nginx对内存的管理分为大内存与小内存，当某一个申请的内存大于某一个值时，就需要从大内存中分配空间，否则从小内存中分配空间。

    • nginx中的内存池是在创建的时候就设定好了大小，在以后分配小块内存的时候，如果内存不够，则是重新创建一块内存串到内存池中，而不是将原有的内存池进行扩张。当要分配大块内存是，则是在内存池外面再分配空间进行管理的，称为大块内存池。

    •  

      4.2 内存申请 ngx_palloc

    •    1: void *
         2: ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
         3: {
         4:     u_char      *m;
         5:     ngx_pool_t  *p;
         6:  
         7:     //如果申请的内存大小小于内存池的max值
         8:     if (size <= pool->max) {
         9:  
        10:         p = pool->current;
        11:  
        12:         do {
        13:             //对内存地址进行对齐处理
        14:             m = ngx_align_ptr(p->d.last, NGX_ALIGNMENT);
        15:  
        16:             //如果当前内存块够分配内存，则直接分配
        17:             if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) 
        18:             {
        19:                 p->d.last = m + size;
        20:  
        21:                 return m;
        22:             }
        23:             
        24:             //如果当前内存块有效容量不够分配，则移动到下一个内存块进行分配
        25:             p = p->d.next;
        26:  
        27:         } while (p);
        28:  
        29:         //当前所有内存块都没有空闲了，开辟一块新的内存，如下2详细解释
        30:         return ngx_palloc_block(pool, size);
        31:     }
        32:  
        33:     //分配大块内存
        34:     return ngx_palloc_large(pool, size);
        35: }

      需要说明的几点：

      1、ngx_align_ptr，这是一个用来内存地址取整的宏，非常精巧，一句话就搞定了。作用不言而喻，取整可以降低CPU读取内存的次数，提高性能。因为这里并没有真正意义调用malloc等函数申请内存，而是移动指针标记而已，所以内存对齐的活，C编译器帮不了你了，得自己动手。

         1: #define ngx_align_ptr(p, a)                                                   
         2:      (u_char *) (((uintptr_t) (p) + ((uintptr_t) a - 1)) & ~((uintptr_t) a - 1))

      2、开辟一个新的内存块 ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)

      这个函数是用来分配新的内存块，为pool内存池开辟一个新的内存块，并申请使用size大小的内存；

         1: static void *
         2: ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)
         3: {
         4:     u_char      *m;
         5:     size_t       psize;
         6:     ngx_pool_t  *p, *new;
         7:  
         8:     //计算内存池第一个内存块的大小
         9:     psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);
        10:  
        11:     //分配和第一个内存块同样大小的内存块
        12:     m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
        13:     if (m == NULL) {
        14:         return NULL;
        15:     }
        16:  
        17:     new = (ngx_pool_t *) m;
        18:  
        19:     //设置新内存块的end
        20:     new->d.end = m + psize;
        21:     new->d.next = NULL;
        22:     new->d.failed = 0;
        23:  
        24:     //将指针m移动到d后面的一个位置，作为起始位置
        25:     m += sizeof(ngx_pool_data_t);
        26:     //对m指针按4字节对齐处理
        27:     m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
        28:     //设置新内存块的last，即申请使用size大小的内存
        29:     new->d.last = m + size;
        30:  
        31:     //这里的循环用来找最后一个链表节点，这里failed用来控制循环的长度，如果分配失败次数达到5次，就忽略，不需要每次都从头找起
        32:     for (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {
        33:         if (p->d.failed++ > 4) {
        34:             pool->current = p->d.next;
        35:         }
        36:     }
        37:  
        38:     p->d.next = new;
        39:  
        40:     return m;
        41: }

    • 3、分配大块内存 ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)

      在ngx_palloc中首先会判断申请的内存大小是否超过内存块的最大限值，如果超过，则直接调用ngx_palloc_large，进入大内存块的分配流程；

         1: static void *
         2: ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
         3: {
         4:     void              *p;
         5:     ngx_uint_t         n;
         6:     ngx_pool_large_t  *large;
         7:  
         8:     // 直接在系统堆中分配一块大小为size的空间
         9:     p = ngx_alloc(size, pool->log);
        10:     if (p == NULL) {
        11:         return NULL;
        12:     }
        13:  
        14:     n = 0;
        15:  
        16:     // 查找到一个空的large区，如果有，则将刚才分配的空间交由它管理  
        17:     for (large = pool->large; large; large = large->next) {
        18:         if (large->alloc == NULL) {
        19:             large->alloc = p;
        20:             return p;
        21:         }
        22:         //为了提高效率， 如果在三次内没有找到空的large结构体，则创建一个
        23:         if (n++ > 3) {
        24:             break;
        25:         }
        26:     }
        27:  
        28:  
        29:     large = ngx_palloc(pool, sizeof(ngx_pool_large_t));
        30:     if (large == NULL) {
        31:         ngx_free(p);
        32:         return NULL;
        33:     }
        34:     
        35:     //将large链接到内存池
        36:     large->alloc = p;
        37:     large->next = pool->large;
        38:     pool->large = large;
        39:  
        40:     return p;
        41: }
      整个内存池分配如下图：
      20121017114009366

      • 4.3 内存池重置 ngx_reset_pool

         1: void
         2: ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool)
         3: {
         4:     ngx_pool_t        *p;
         5:     ngx_pool_large_t  *l;
         6:     
         7:     //释放大块内存
         8:     for (l = pool->large; l; l = l->next) {
         9:         if (l->alloc) {
        10:             ngx_free(l->alloc);
        11:         }
        12:     }
        13:     
        14:     // 重置所有小块内存区
        15:     for (p = pool; p; p = p->d.next) {
        16:         p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
        17:         p->d.failed = 0;
        18:     }
        19:  
        20:     pool->current = pool;
        21:     pool->chain = NULL;
        22:     pool->large = NULL;
        23: }

      4.4 内存池释放 ngx_pfree

    •    1: ngx_int_t
         2: ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
         3: {
         4:     ngx_pool_large_t  *l;
         5:  
         6:     //只检查是否是大内存块，如果是大内存块则释放
         7:     for (l = pool->large; l; l = l->next) {
         8:         if (p == l->alloc) {
         9:             ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
        10:                            "free: %p", l->alloc);
        11:             ngx_free(l->alloc);
        12:             l->alloc = NULL;
        13:  
        14:             return NGX_OK;
        15:         }
        16:     }
        17:  
        18:     return NGX_DECLINED;
        19: }

      所以说Nginx内存池中大内存块和小内存块的分配与释放是不一样的。我们在使用内存池时，可以使用ngx_palloc进行分配，使用ngx_pfree释放。而对于大内存，这样做是没有问题的，而对于小内存就不一样了，分配的小内存，不会进行释放。因为大内存块的分配只对前3个内存块进行检查，否则就直接分配内存，所以大内存块的释放必须及时。

      4.5 外部资源的清理

      Nginx内存池支持通过回调函数，对外部资源的清理。ngx_pool_cleanup_t是回调函数结构体，它在内存池中以链表形式保存，在内存池进行销毁时，循环调用这些回调函数对数据进行清理。

         1: typedef struct ngx_pool_cleanup_s  ngx_pool_cleanup_t;
         2:  
         3: struct ngx_pool_cleanup_s {
         4:     ngx_pool_cleanup_pt   handler;
         5:     void                 *data;
         6:     ngx_pool_cleanup_t   *next;
         7: };

      其中

      • handler：是回调函数指针；
      • data：回调时，将此数据传入回调函数；

      next：//指向下一个回调函数结构体； 

      如果我们需要添加自己的回调函数，则需要调用ngx_pool_cleanup_add来得到一个ngx_pool_cleanup_t，然后设置handler为我们的清理函数，并设置data为我们要清理的数据。这样在ngx_destroy_pool中会循环调用handler清理数据；

         1: ngx_pool_cleanup_t *
         2: ngx_pool_cleanup_add(ngx_pool_t *p, size_t size)
         3: {
         4:     ngx_pool_cleanup_t  *c;
         5:     
         6:     //分配ngx_pool_cleanup_t
         7:     c = ngx_palloc(p, sizeof(ngx_pool_cleanup_t));
         8:     if (c == NULL) {
         9:         return NULL;
        10:     }
        11:  
        12:     //给data分配内存
        13:     if (size) {
        14:         c->data = ngx_palloc(p, size);
        15:         if (c->data == NULL) {
        16:             return NULL;
        17:         }
        18:  
        19:     } else {
        20:         c->data = NULL;
        21:     }
        22:  
        23:     //将回掉函数链入内存池
        24:     c->handler = NULL;
        25:     c->next = p->cleanup;
        26:  
        27:     p->cleanup = c;
        28:  
        29:     ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, p->log, 0, "add cleanup: %p", c);
        30:  
        31:     return c;
        32: }

      比如：我们可以将一个开打的文件描述符作为资源挂载到内存池上，同时提供一个关闭文件描述的函数注册到handler上，那么内存池在释放的时候，就会调用我们提供的关闭文件函数来处理文件描述符资源了。

      201210171140326004

    • 4.6 内存池销毁 ngx_destroy_pool

         1: void
         2: ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)
         3: {
         4:     ngx_pool_t          *p, *n;
         5:     ngx_pool_large_t    *l;
         6:     ngx_pool_cleanup_t  *c;
         7:  
         8:     //依次调用外部析构回调函数
         9:     for (c = pool->cleanup; c; c = c->next) {
        10:         if (c->handler) {
        11:             ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
        12:                            "run cleanup: %p", c);
        13:             c->handler(c->data);
        14:         }
        15:     }
        16:     
        17:     //释放大块内存
        18:     for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        19:  
        20:         ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0, "free: %p", l->alloc);
        21:  
        22:         if (l->alloc) {
        23:             ngx_free(l->alloc);
        24:         }
        25:     }
        26:     //释放小块内存
        27:     for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
        28:         ngx_free(p);
        29:  
        30:         if (n == NULL) {
        31:             break;
        32:         }
        33:     }
        34: }

      5.参考资料

      1.http://www.cnblogs.com/xiekeli/archive/2012/10/17/2727432.html

      2.《深入理解Nginx》

    • -Echo Chen

    • Blog.csdn.net/chen19870707

    • -
  • 相关阅读:
    ios 设置本地化显示的app名称
    iOS 统一配置
    iPhoneX && iOS11 适配
    手机如何和电脑 无线连接 使用adb命令配合连接
    使用adb命令查看APP包名 和 包入口方法
    Charles下载及安装破解-自己编辑
    修改表里面里面的 所有账号的密码
    Xshell6会话管理器无意中关闭，在哪里打开
    工作中常用的Linux命令
    使用adb命令连接模拟器且安装apk
  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/0x2D-0x22/p/4141303.html
Copyright © 2011-2022 走看看