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  • 菜鸟nginx源代码剖析数据结构篇（九） 内存池ngx_pool_t

     

    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

  • 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：

    201210171140066270

    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。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：
    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。

    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: }

    5.參考资料

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

    2.《深入理解Nginx》

  • -Echo Chen

  • Blog.csdn.net/chen19870707

  • -

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  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/wzjhoutai/p/7083270.html
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