(转)DPDK内存管理03 -- rte_mempool内存管理

一、文件组织
rte_mempool.h：mempool类的属性、方法

rte_mempool.c：mempool对象的创建实现、mempool对象与ring对象（默认）的联系。

rte_mempool_ops.c：mempool对象的操作方法定义

rte_mempool_ring.c：mempoolring类型的操作方法

rte_mempool_stack.c：mempool stack类型的操作方法

二、mempool功能和结构
1.功能
对于提前申请的内存对象可以并发无锁的申请和释放（消费/生产、出队/入队）。当然可以使用栈的方式操作内存对象。

为了减少多核访问造成的冲突，引入了local_cache对象缓冲区。该local_cache非硬件上的cache，而是为了减少多核访问ring造成的临界区访问，coreX app会优先访问该local_cache上的对象。

入队的时候优先入local_cache中，出队的时候优先从local_cache中出队。

2.结构
mempool结构图：

 

三、使用方法
1、 创建mempool：rte_mempool_create

2、 使用mempool方法操作mempool对象：例如出队列，rte_mempool_get（mp，obj_p）；

四、代码解析
mempool结构图：

1、mempool结构解析
objhdr_list:把每个objhdr联系起来。可以通过轮询objhdr_list链表，进而轮询每个对象，无论对象是否在ring中，统一管理对象。
memhdr_list：把每个memzone块联系起来。
在每个obj前加obj_hdr意图：可以通过ring中出队的obj，找到对应mempool、和对应obj_tlr。

2、创建一个mempool的流程
创建一个mempool尾队列的te头
创建一个mempool，hdr+local_cache+trl，并和te的data项联系起来
设置mempool的操作方法索引
申请一个mempool的操作对象（默认是ring），并将其和mempool联系起来
申请memzone内存，把内存对象移植到mempool中（obj_list、mem_list），再用mempool的入队方法（默认ring的入队方法）把内存对象入队到ring中

3、出（入）队的流程
找到local_cache
如果找到的local_cache为空，或者为单消费者，或者出队的数量比初始化的cache大（local_cache为空或者为单生产者），则从ring中直接出（入）队
否者，从local_cache（数量不足时，从ring中补足）出（入）队。

4、关键函数
1、rte_mempool_create_empty()

在rte_mempool_list链表中创建一个节点mempool_tailq_entry，再创建一个*data的实体(rte_mempool + local_cache + private_data)，即mempool的数据结构。

2、rte_mempool_populate_phys()

通过已知地址连续的地址，分割出尽可能多的对象（obj_hdr + obj_body + obj_trl）。把obj_body入队到ring中；obj_hdr加入到rte_mempool_objhdr_list链表中；一块地址连续的地址块加入到rte_mempool_memhdr_list链表中。

3、optimize_object_size()

保证rank总数个连续的对象读写，都会落在不同的rank上

根据：两个互质数a,b为了使aX=bY等式成立，那么X最小的整数值是b，Y最小的整数值是a。推出的一个公式，可以自己验证。
 

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DPDK以两种方式对外提供内存管理方法，一个是rte_mempool，主要用于网卡数据包的收发；一个是rte_malloc，主要为应用程序提供内存使用接口。本文讨论rte_mempool。rte_mempool由函数rte_mempool_create()负责创建，从rte_config.mem_config->free_memseg[]中取出合适大小的内存，放到rte_config.mem_config->memzone[]中。

本文中，以l2fwd为例，说明rte_mempool的创建及使用。

一、rte_mempool的创建

1 l2fwd_pktmbuf_pool =
2     rte_mempool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
3                MBUF_SIZE, 32,
4                sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private),
5                rte_pktmbuf_pool_init, NULL,
6                rte_pktmbuf_init, NULL,
7                rte_socket_id(), 0)

“mbuf_pool”：创建的rte_mempool的名称。

NB_MBUF：rte_mempool包含的rte_mbuf元素的个数。

MBUF_SIZE：每个rte_mbuf元素的大小。

1 #define RTE_PKTMBUF_HEADROOM    128
2 #define MBUF_SIZE (2048 + sizeof(struct rte_mbuf) + RTE_PKTMBUF_HEADROOM)
3 #define NB_MBUF   8192

1 struct rte_pktmbuf_pool_private {
2     uint16_t mbuf_data_room_size; /**< Size of data space in each mbuf.*/
3 };

rte_mempool由函数rte_mempool_create()负责创建。首先创建rte_ring，再创建rte_mempool，并建立两者之间的关联。

　　　

1、rte_ring_create()创建rte_ring无锁队列

1 r = rte_ring_create(rg_name, rte_align32pow2(n+1), socket_id, rg_flags);

　　具体步骤如下：

　　a、需要保证创建的队列数可以被2整除，即，count = rte_align32pow2(n + 1);

　　b、计算需要为count个队列分配的内存空间，即，ring_size = count * sizeof(void *) + sizeof(struct rte_ring);

　　struct rte_ring的数据结构如下，

 1 struct rte_ring {
 2     TAILQ_ENTRY(rte_ring) next;      /**< Next in list. */
 3 
 4     char name[RTE_RING_NAMESIZE];    /**< Name of the ring. */
 5     int flags;                       /**< Flags supplied at creation. */
 6 
 7     /** Ring producer status. */
 8     struct prod {
 9         uint32_t watermark;      /**< Maximum items before EDQUOT. */
10         uint32_t sp_enqueue;     /**< True, if single producer. */
11         uint32_t size;           /**< Size of ring. */
12         uint32_t mask;           /**< Mask (size-1) of ring. */
13         volatile uint32_t head;  /**< Producer head. */
14         volatile uint32_t tail;  /**< Producer tail. */
15     } prod __rte_cache_aligned;
16 
17     /** Ring consumer status. */
18     struct cons {
19         uint32_t sc_dequeue;     /**< True, if single consumer. */
20         uint32_t size;           /**< Size of the ring. */
21         uint32_t mask;           /**< Mask (size-1) of ring. */
22         volatile uint32_t head;  /**< Consumer head. */
23         volatile uint32_t tail;  /**< Consumer tail. */
24 #ifdef RTE_RING_SPLIT_PROD_CONS
25     } cons __rte_cache_aligned;
26 #else
27     } cons;
28 #endif
29 
30 #ifdef RTE_LIBRTE_RING_DEBUG
31     struct rte_ring_debug_stats stats[RTE_MAX_LCORE];
32 #endif
33 
34     void * ring[0] __rte_cache_aligned; /**< Memory space of ring starts here.
35                                          * not volatile so need to be careful
36                                          * about compiler re-ordering */
37 };

　　c、调用rte_memzone_reserve()，在rte_config.mem_config->free_memseg[]中查找一个合适的free_memseg（查找规则是free_memseg中剩余内存大于等于需要分配的内存，但是多余的部分是最小的），从该free_memseg中分配指定大小的内存，然后将分配的内存记录在rte_config.mem_config->memzone[]中。

　　d、初始化新分配的rte_ring。

 1 r->flags = flags;
 2 r->prod.watermark = count;
 3 r->prod.sp_enqueue = !!(flags & RING_F_SP_ENQ);
 4 r->cons.sc_dequeue = !!(flags & RING_F_SC_DEQ);
 5 r->prod.size = r->cons.size = count;
 6 r->prod.mask = r->cons.mask = count-1;
 7 r->prod.head = r->cons.head = 0;
 8 r->prod.tail = r->cons.tail = 0;
 9 
10 TAILQ_INSERT_TAIL(ring_list, r, next); // 挂到rte_config.mem_config->tailq_head[RTE_TAILQ_RING]队列中

2、创建并初始化rte_mempool

　　a、计算需要为rte_mempool申请的内存空间。包含：sizeof(struct rte_mempool)、private_data_size，以及n * objsz.total_size。

1 mempool_size = MEMPOOL_HEADER_SIZE(mp, pg_num) + private_data_size;
2 if (vaddr == NULL)
3     mempool_size += (size_t)objsz.total_size * n;

　　objsz.total_size = objsz.header_size + objsz.elt_size + objsz.trailer_size; 其中，

　　objsz.header_size = sizeof(struct rte_mempool *);

　　objsz.elt_size = MBUF_SIZE；

　　objsz.trailer_size = ????

　　b、调用rte_memzone_reserve()，在rte_config.mem_config->free_memseg[]中查找一个合适的free_memseg，在该free_memseg中分配mempool_size大小的内存，然后将新分配的内存记录到rte_config.mem_config->memzone[]中。

　　c、初始化新创建的rte_mempool，并调用rte_pktmbuf_pool_init()初始化rte_mempool的私有数据结构。

 1 /* init the mempool structure */
 2 mp = mz->addr;
 3 memset(mp, 0, sizeof(*mp));
 4 snprintf(mp->name, sizeof(mp->name), "%s", name);
 5 mp->phys_addr = mz->phys_addr;
 6 mp->ring = r;
 7 mp->size = n;
 8 mp->flags = flags;
 9 mp->elt_size = objsz.elt_size;
10 mp->header_size = objsz.header_size;
11 mp->trailer_size = objsz.trailer_size;
12 mp->cache_size = cache_size;
13 mp->cache_flushthresh = (uint32_t)
14     (cache_size * CACHE_FLUSHTHRESH_MULTIPLIER);
15 mp->private_data_size = private_data_size;
16 
17 /* calculate address of the first element for continuous mempool. */
18 obj = (char *)mp + MEMPOOL_HEADER_SIZE(mp, pg_num) +
19     private_data_size;
20 
21 /* populate address translation fields. */
22 mp->pg_num = pg_num;
23 mp->pg_shift = pg_shift;
24 mp->pg_mask = RTE_LEN2MASK(mp->pg_shift, typeof(mp->pg_mask));
25 
26 /* mempool elements allocated together with mempool */
27 mp->elt_va_start = (uintptr_t)obj;
28 mp->elt_pa[0] = mp->phys_addr +
29     (mp->elt_va_start - (uintptr_t)mp);
30 
31 mp->elt_va_end = mp->elt_va_start;
32 
33 RTE_EAL_TAILQ_INSERT_TAIL(RTE_TAILQ_MEMPOOL, rte_mempool_list, mp); //挂到rte_config.mem_config->tailq_head[RTE_TAILQ_MEMPOOL]队列中

　　d、调用mempool_populate()，以及rte_pktmbuf_init()初始化rte_mempool的每个rte_mbuf元素。

3、总结

相关数据结构的关联关系如下图：