菜鸟nginx源代码剖析数据结构篇（九） 内存池ngx_pool_t
Author：Echo Chen（陈斌）
Email：chenb19870707@gmail.com
Date：Nov 11th, 2014
今天是一年一度的光棍节。还没有女朋友的程序员童鞋最好还是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静止著称的nginx的内存池。
1.源码位置
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開始。
- end：内存池结束位置；
- next：内存池里面有非常多块内存，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内存池结构例如以下图所看到的：
3.相关函数介绍
在分析内存池方法前。须要对几个基本的内存相关函数作一下介绍:
ngx_alloc：（仅仅是对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平台须要动态的对齐，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。而且这块内存的地址是alignment的倍数。參数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（不正确齐） | 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。传入我们的须要的初始大小：
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4K22: 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，就须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，假设内存不够。则是又一次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: //假设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: //假设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: //假设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: //当前全部内存块都没有空暇了，开辟一块新的内存，例如以下2详解30: return ngx_palloc_block(pool, size);31: }32:33: //分配大块内存34: return ngx_palloc_large(pool, size);35: }
须要说明的几点：
1、ngx_align_ptr。这是一个用来内存地址取整的宏。很静止，一句话就搞定了。作用不言而喻，取整能够减少CPU读取内存的次数，提高性能。由于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相同大小的内存块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end20: 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。假设分配失败次数达到5次。就忽略，不须要每次都从头找起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中首先会推断申请的内存大小是否超过内存块的最大限值，假设超过，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，假设有，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， 假设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: }
整个内存池分配例如以下图：
-
4.3 内存池重置 ngx_reset_pool
1: void2: 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: // 重置全部小块内存区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: //仅仅检查是否是大内存块。假设是大内存块则释放
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。能够使用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。由于大内存块的分配仅仅对前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: };
当中
- 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；
假设我们须要加入自己的回调函数，则须要调用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: }
比方：我们能够将一个开打的文件描写叙述符作为资源挂载到内存池上，同一时候提供一个关闭文件描写叙述的函数注冊到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写叙述符资源了。
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: }
5.參考资料
1.http://www.cnblogs.com/xiekeli/archive/2012/10/17/2727432.html
2.《深入理解Nginx》
-Echo Chen
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