LevelDB源码分析之：arena内存管理

一.原理

        arena是LevelDB内部实现的内存池。

        我们知道，对于一个高性能的服务器端程序来说，内存的使用非常重要。C++提供了new/delete来管理内存的申请和释放，但是对于小对象来说，直接使用new/delete代价比较大，要付出额外的空间和时间，性价比不高。另外，我们也要避免多次的申请和释放引起的内存碎片。一旦碎片到达一定程度，即使剩余内存总量够用，但由于缺乏足够的连续空闲空间，导致内存不够用的假象。
        C++ STL为了避免内存碎片，实现一个复杂的内存池，LevelDB中则没有那么复杂，只是实现了一个"一次性"内存池arena。在leveldb里面，并不是所有的地方都使用了这个内存池，主要是memtable使用，主要是用于临时存放用户的更新数据，由于更新的数据可能很小，所以这里使用内存池就很合适。

        为了避免小对象的频繁分配，需要减少对new的调用，最简单的做法就是申请大块的内存，多次分给客户。LevelDB用一个vector<char *>来保存所有的内存分配记录，默认每次申请4k的内存块，记录下当前内存块剩余指针和剩余内存字节数，每当有新的申请，如果当前剩余的字节能满足需要，则直接返回给用户。如果不能，对于超过1k的请求，直接new一个指定大小的内存块并返回，小于1K的请求，则申请一个新的4k内存块，从中分配一部分给用户。当内存池对象析构时，分配的内存均被释放，保证了内存不会泄漏。

头文件

class Arena {
 public:
  Arena();
  ~Arena();
 
  // Return a pointer to a newly allocated memory block of "bytes" bytes.
  // 分配bytes大小的内存块，返回指向该内存块的指针
  char* Allocate(size_t bytes);
 
  // Allocate memory with the normal alignment guarantees provided by malloc
  // 基于malloc的字节对齐内存分配
  char* AllocateAligned(size_t bytes);
 
  // Returns an estimate of the total memory usage of data allocated
  // by the arena (including space allocated but not yet used for user
  // allocations).
  // 返回整个内存池使用内存的总大小（不精确），这里只计算了已分配内存块的总大小和
  // 存储各个内存块指针所用的空间。并未计算alloc_ptr_和alloc_bytes_remaining_
  // 等数据成员的大小。
  size_t MemoryUsage() const {
    return blocks_memory_ + blocks_.capacity() * sizeof(char*);
  }
 
 private:
  char* AllocateFallback(size_t bytes);
  char* AllocateNewBlock(size_t block_bytes);
 
  // Allocation state
  // 当前内存块(block)偏移量指针，也就是未使用内存的首地址
  char* alloc_ptr_;
  // 表示当前内存块(block)中未使用的空间大小
  size_t alloc_bytes_remaining_;
 
  // Array of new[] allocated memory blocks
  // 用来存储每一次向系统请求分配的内存块的指针
  std::vector<char*> blocks_;
 
  // Bytes of memory in blocks allocated so far
  // 迄今为止分配的内存块的总大小
  size_t blocks_memory_;
 
  // No copying allowed
  Arena(const Arena&);
  void operator=(const Arena&);
};

源文件

inline char* Arena::Allocate(size_t bytes) {
  // The semantics of what to return are a bit messy if we allow
  // 0-byte allocations, so we disallow them here (we don't need
  // them for our internal use).
  // 如果允许分配0字节的内存，那么返回值在语义上会比较难以理解，因此这里禁止bytes=0
  // 如果需求的内存小于当前内存块中剩余的内存，那么直接从当前内存快中获取
  assert(bytes > 0);
  if (bytes <= alloc_bytes_remaining_) {
    char* result = alloc_ptr_;
    alloc_ptr_ += bytes;
    alloc_bytes_remaining_ -= bytes;
    return result;
  }
  // 因为alloc_bytes_remaining_初始为0，因此第一次调用Allocate实际上直接调用的是AllocateFallback
  // 如果需求的内存大于内存块中剩余的内存，也会调用AllocateFallback
  return AllocateFallback(bytes);
}
char* Arena::AllocateFallback(size_t bytes) {
  // 如果需求的内存大于内存块中剩余的内存，而且大于1K，则给这内存单独分配一块bytes大小的内存。
  // 这样可以避免浪费过多的空间（因为如果bytes大于1K也从4K的内存块去取用，那么如果当前内存块中刚好剩余
  // 1K，只能再新建一个4K的内存块，并且取用bytes。此时新建的内存块是当前内存块，后续操作都是基于当前内
  // 存块的，那么原内存块中的1K空间就浪费了）
  if (bytes > kBlockSize / 4) {
    // Object is more than a quarter of our block size.  Allocate it separately
    // to avoid wasting too much space in leftover bytes.
    char* result = AllocateNewBlock(bytes);
    return result;
  }
  // 如果需求的内存大于内存块中剩余的内存，而且小于1K，则重新分配一个内存块，默认大小4K，
  // 原内存块中剩余的内存浪费掉（这样虽然也会浪费，但是浪费的空间小于1K）。并在新内存块
  // 中取用bytes大小的内存。
  // We waste the remaining space in the current block.
  alloc_ptr_ = AllocateNewBlock(kBlockSize);
  alloc_bytes_remaining_ = kBlockSize;
 
  char* result = alloc_ptr_;
  alloc_ptr_ += bytes;
  alloc_bytes_remaining_ -= bytes;
  return result;
}
// 提供了字节对齐内存分配，一般情况是4字节或8个字节对齐分配，
// 对齐内存的好处简单的说就是加速内存访问。
// 首先获取一个指针的大小const int align = sizeof(void*)，
// 很明显，在32位系统下是4 ,64位系统下是8 ，为了表述方便，我们假设是32位系统，即align ＝ 4,
// 然后将我们使用的char * 指针地址转换为一个无符号整型(reinterpret_cast<uintptr_t>(result):
// It is an unsigned int that is guaranteed to be the same size as a pointer.)，通过与操作来
// 获取size_t current_mod = reinterpret_cast<uintptr_t>(alloc_ptr_) & (align-1);当前指针模4
// 的值，有了这个值以后，我们就容易知道，还差 slop = align - current_mod多个字节，内存才是对齐的，
// 所以有了result = alloc_ptr + slop。那么获取bytes大小的内存，实际上需要的大小为needed = bytes + slop。
char* Arena::AllocateAligned(size_t bytes) {
  const int align = sizeof(void*);    // We'll align to pointer size
  assert((align & (align-1)) == 0);   // Pointer size should be a power of 2
  size_t current_mod = reinterpret_cast<uintptr_t>(alloc_ptr_) & (align-1);　　　　//这里就判断出了当前指针地址和字节对齐整数倍所差的个数
  size_t slop = (current_mod == 0 ? 0 : align - current_mod);
  size_t needed = bytes + slop;
  char* result;
  if (needed <= alloc_bytes_remaining_) {
    result = alloc_ptr_ + slop;
    alloc_ptr_ += needed;
    alloc_bytes_remaining_ -= needed;
  } else {
    // AllocateFallback always returned aligned memory
    result = AllocateFallback(bytes);
  }
  assert((reinterpret_cast<uintptr_t>(result) & (align-1)) == 0);
  return result;
}

// 分配新的内存块
char* Arena::AllocateNewBlock(size_t block_bytes) {
  char* result = new char[block_bytes];
  blocks_memory_ += block_bytes;
  blocks_.push_back(result);
  return result;
}
// 释放整个内存池所占内存
Arena::~Arena() {
  for (size_t i = 0; i < blocks_.size(); i++) {
    delete[] blocks_[i];
  }
}