netty源码解析(4.0)-26 ByteBuf内存池:PoolArena-PoolSubpage

　　PoolChunk用来分配大于或等于一个page的内存，如果需要小于一个page的内存，需要先从PoolChunk中分配一个page，然后再把一个page切割成多个子页-subpage，最后把内存以subpage为单位分配出去。PoolSubpage就是用来管理subpage的。

　　一个page会被分割成若干个大小相同的subpage，subpage的的大小是elemSize。elemSize必须是16的整数倍，即必须满足elemSize & 15 == 0。elemSize的取值范围是(16, pageSize-16)。多个elemSize相等的PoolSubpage组成一个双向链表，用于分配特定大小的subpage。

　　Tiny和Small类型的内存，都是用subpage来分配。Tiny内存大小范围是[16, 512)，如果把大小不同的subpage按顺序排列，除最后一个外，任意一个subpage的elemSize+16等于下一个subpage的elemSize，可以用于分配Tiny内存的subpage有512>>4=32种。Small内存大小范围是[512, pageSize)，subpage的elemSize=512 * 2ⁿ = 2⁽⁹⁺ⁿ⁾， 可以用于分配Small内存的subpage有n种，n的最小值是0, 最大值由pageSize决定。

　　已知:

　　　　elemSize < pageSize

　　　　pageSize可以表示为2^k

　　　　elemSize = 2⁹⁺ⁿ

　　=> 2⁹⁺ⁿ < 2^k

　　=> 9+n < k

　　=> n < k - 9

　　=> n的取值范围是(0, k - 9)

　　上一章中分析过pageShifts, 它就是上面推导过程中使用的变量k。

 

PoolArena中的PoolSubpage数组

　　PoolArena维护了两个PoolSubpage表，都是以PoolSubpage[]数组的形式保存：

• tinySubpagePools：用于分配Tiny内存，数组长度是521 >> 4 = 32。
• smallSubpagePools: 用于分配Small内存，数组长度是pageShifts - 9。

　　PoolArean在构造方法中初始化这两个数组:

 1         tinySubpagePools = newSubpagePoolArray(numTinySubpagePools);
 2         for (int i = 0; i < tinySubpagePools.length; i ++) {
 3             tinySubpagePools[i] = newSubpagePoolHead(pageSize);
 4         }
 5 
 6         numSmallSubpagePools = pageShifts - 9;
 7         smallSubpagePools = newSubpagePoolArray(numSmallSubpagePools);
 8         for (int i = 0; i < smallSubpagePools.length; i ++) {
 9             smallSubpagePools[i] = newSubpagePoolHead(pageSize);
10         }

　　代码中的numTinySubpagePools=512>>4和numSmallSubpagePools=pageShifts - 9,分别是两个数组的长度。这两个数组保存的都是PoolSubpage双向链表的头节点，头节点不能用来分配内存。

　　findSubpagePoolHead方法可以根据elemSize找到对应的PoolSubpage链表的头节点:

 1     PoolSubpage findSubpagePoolHead(int elemSize) {
 2         int tableIdx;
 3         PoolSubpage[] table;
 4         if (isTiny(elemSize)) { // < 512
 5             tableIdx = elemSize >>> 4;
 6             table = tinySubpagePools;
 7         } else {
 8             tableIdx = 0;
 9             elemSize >>>= 10;
10             while (elemSize != 0) {
11                 elemSize >>>= 1;
12                 tableIdx ++;
13             }
14             table = smallSubpagePools;
15         }
16 
17         return table[tableIdx];
18     }

　　4-6行，如果是Tiny内存，计算elemSize在tinySubpagePools中的偏移量tableIdx。

　　8-14行，如果是Normal内存，计算elemSize在smallSubpagePools中的偏移量tabIeIdx。计算tableIdx的算法是把elemSize无符号右移10位之后，找非0的最高位，在找的过程中累加tableIdx，找到之后及得到了正确的偏移量。这个算法还可以简化成log2(elemSize) - 9。

　　17行，取出一个PoolSubpage链表头。

　　

PoolSubpage初始化

　　在PoolChunk的allocateSubpage方法中，调用findSubpagePoolHead得到一个head，然后使用分配到的二叉树内存节点初始化一个PoolSubpage节点。一个能用来分配内存的PooSubpage节点可以调用构造方法或init方法进行初始化。

 1     PoolSubpage(PoolSubpage head, PoolChunk chunk, int memoryMapIdx, int runOffset, int pageSize, int elemSize) {
 2         this.chunk = chunk;
 3         this.memoryMapIdx = memoryMapIdx;
 4         this.runOffset = runOffset;
 5         this.pageSize = pageSize;
 6         bitmap = new long[pageSize >>> 10]; // pageSize / 16 / 64
 7         init(head, elemSize);
 8     }

　　这个构造方法只是做了一些简单的属性初始化工作。第6行初始bitmap，它用bit位来记录每个subpage的使用情况，每个bit对应一个subpage，0表示subpage空闲，1表示subpage已经被分配出去。一个subpage的大小是elemSize，前面已经讲过，最小的elemSize=16,  那么一个page最多可分割成subpage的数量maxSubpageCount=pageSize/16=pageSize >> 4。bitmap是个long型的数字，每个long数据有64位，因此bitmap的最大长度只需要maxBitmapLength = maxSubpageCount / 64 = pageSize / 16 / 64 = pageSize >> 10就够用了。

　　init方法的作用是根据elemSize计算出有效的bitmap长度bitmapLength，然后把bitmapLength范围内存的bit值都初始化为0。

 1     void init(PoolSubpage head, int elemSize) {
 2         doNotDestroy = true;
 3         this.elemSize = elemSize;
 4         if (elemSize != 0) {
 5             maxNumElems = numAvail = pageSize / elemSize;
 6             nextAvail = 0;
 7             bitmapLength = maxNumElems >>> 6;
 8             if ((maxNumElems & 63) != 0) {
 9                 bitmapLength ++;
10             }
11 
12             for (int i = 0; i < bitmapLength; i ++) {
13                 bitmap[i] = 0;
14             }
15         }
16         addToPool(head);
17     }

　　第5行，初始subpage的最大数量maxNumElems和可用数量numAvail。

　　第6行，初始化下一个可用subpage的索引。

　　第7行, 计算bitmap的有效数量，bitmapLength = maxNumElems >>> 6 = maxNumElems / 64。

　　第8,9行，如果maxNumElems不是64的整数倍，bitmapLength需要额外加1。

　　第12-14行，有效长度的bitmap值都设置成0。

　　第16行, 把当前PoolSubpage节点添加到head后面。

　　bitmap位的索引范围是[0, maxNumElems)。

　　

分配一个subpage

　　PoolSubpage初始化完成之后，调用allocate可以分配一个subpage，返回的是一个long型的的handle，这个handle代表一块内存。handle的低32位memoryMapIdx，是PoolChunk中二叉树节点的索引；高32位bitmapIdx，是subpage在bitmap中对应位的索引。

　　分配一个subpage有两个步骤:

1. 找到一个可用subpage的索引bitmapIdx
2. 把这个bitmapIdx在bitmap中对应的bit为置为1

　　findNextAvail方法负责到底一个可用的subpage并返回它的bitmapIdx。

 1     private int findNextAvail() {
 2         final long[] bitmap = this.bitmap;
 3         final int bitmapLength = this.bitmapLength;
 4         for (int i = 0; i < bitmapLength; i ++) {
 5             long bits = bitmap[i];
 6             if (~bits != 0) {
 7                 return findNextAvail0(i, bits);
 8             }
 9         }
10         return -1;
11     }
12 
13     private int findNextAvail0(int i, long bits) {
14         final int maxNumElems = this.maxNumElems;
15         final int baseVal = i << 6;
16 
17         for (int j = 0; j < 64; j ++) {
18             if ((bits & 1) == 0) {
19                 int val = baseVal | j;
20                 if (val < maxNumElems) {
21                     return val;
22                 } else {
23                     break;
24                 }
25             }
26             bits >>>= 1;
27         }
28         return -1;
29     }

　　第1-11行，变量bitmap数组，找到一个至少有一位是0的long数据。~bits != 0 说明bits中至少有一位是0。然后调用findNextAvail0找到bits中为0的最低位。

　　第15行，计算bitmap数组中的索引i对应的bit索引baseVal = i << 6 = i * 64。

　　第17-27行，遍历bits的每个bit位，遇到为0的bit后在19计算回bitmpaIdx = baseVal | j，j表示bit位在long数据中bit索引。如果满足bitmapIdx < maxNumElems在21返回。

　　第28行，如果没找到可用的subpage, 返回-1。当maxNumElems不是64的整数倍时，bitmap数组中最后一个bits在~bits != 0的情况下可能已经没有subpage可用。

　　

　　allcate方法是分配supage的入口，它调用getNextAvail得到一个supage的bitmapIdx,  getNextAvail在nextAvail属性为-1的时候，调用findNexAvail。然后把bitmapIdx对应的bit为置为1，最后返回handle。

 1     long allocate() {
 2         if (elemSize == 0) {
 3             return toHandle(0);
 4         }
 5 
 6         if (numAvail == 0 || !doNotDestroy) {
 7             return -1;
 8         }
 9 
10         final int bitmapIdx = getNextAvail();
11         int q = bitmapIdx >>> 6;
12         int r = bitmapIdx & 63;
13         assert (bitmap[q] >>> r & 1) == 0;
14         bitmap[q] |= 1L << r;
15 
16         if (-- numAvail == 0) {
17             removeFromPool();
18         }
19 
20         return toHandle(bitmapIdx);
21     }

　　第10行，得到下一个可用的subpage在bitmap中的索引bitmapIdx。

　　第11行，计算bitmapIdx在bitpmap数组中索引，q = bitmapIdx >>> 6 = (int)(bitmapIdx/64)。

　　第12行，计算bitmapIdx对应的bit在long数据中的位索引r，表示q对应的long数据的第r位就是。

　　第14行，把bitmapIdx对应的bit为设置为1。

　　第16,17行，把可用subpage数numAvail减1，如果numAvail==0表示当前PoolSubpage节点已经没有可用的subpage了，调用removeFromPool把它从链表中删除。

　　第20行，把bitmapIdx转换成表示内存的handle，算法是:  handle = 0x4000000000000000L | (long) bitmapIdx << 32 | memoryMapIdx;

　　

释放一个subpage

　　free方法实现了subpage释放的功能，和allocate相比要简单的多，它的主要工作是把bitmapIdx对应的bit为设置为0，还顺便做了一下清理善后工作。

 1     boolean free(PoolSubpage head, int bitmapIdx) {
 2         if (elemSize == 0) {
 3             return true;
 4         }
 5         int q = bitmapIdx >>> 6;
 6         int r = bitmapIdx & 63;
 7         assert (bitmap[q] >>> r & 1) != 0;
 8         bitmap[q] ^= 1L << r;
 9 
10         setNextAvail(bitmapIdx);
11 
12         if (numAvail ++ == 0) {
13             addToPool(head);
14             return true;
15         }
16 
17         if (numAvail != maxNumElems) {
18             return true;
19         } else {
20             // Subpage not in use (numAvail == maxNumElems)
21             if (prev == next) {
22                 // Do not remove if this subpage is the only one left in the pool.
23                 return true;
24             }
25 
26             // Remove this subpage from the pool if there are other subpages left in the pool.
27             doNotDestroy = false;
28             removeFromPool();
29             return false;
30         }
31     }

　　第5,6行，和allocate中解释过。

　　第8行，把bitmapIdx对应的bit为置为0。

　　第10行，把这个bitmapIdx赋值给nextAvail属性，这样在一次或多次调用free之后的第一次allocate调用就不会调用findNextAvail方法，可以提升allocate的性能。

　　第12,13行，当前PoolSubpage节点中至少有一个可用的subpage，把当前节点添加到链表中。

　　第27-29行，当前PooSubpage节点中所有分配出去的节点都全部还会来了，换言之，当前节点有回到bitmap初始化状态，把当前节点从链表中删除。