Nginx内存管理

• 1.源代码位置

   

  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开始。
  • end：内存池结束位置；
  • next：内存池里面有很多块内存，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内存池结构如下图所示：

  

   

  3.相关函数介绍

  在分析内存池方法前，需要对几个主要的内存相关函数作一下介绍:

  ngx_alloc：（只是对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平台需要动态的对齐，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，并且这块内存的地址是 alignment的倍数。参数 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（不对齐）	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，传入我们的需要的初始大小：

•    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，就需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，如果内存不够，则是重新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:     //如果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:             //如果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:             //如果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:         //当前所有内存块都没有空闲了，开辟一块新的内存，如下2详细解释

    30:         return ngx_palloc_block(pool, size);

    31:     }

    32:  

    33:     //分配大块内存

    34:     return ngx_palloc_large(pool, size);

    35: }

  需要说明的几点：

  1、ngx_align_ptr，这是一个用来内存地址取整的宏，非常精巧，一句话就搞定了。作用不言而喻，取整可以降低CPU读取内存的次数，提高性能。因为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同样大小的内存块

    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，如果分配失败次数达到5次，就忽略，不需要每次都从头找起

    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中首先会判断申请的内存大小是否超过内存块的最大限值，如果超过，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，如果有，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， 如果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: }

  整个内存池分配如下图：

  

  • 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:     // 重置所有小块内存区

    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:     //只检查是否是大内存块，如果是大内存块则释放

     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，可以使用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。因为大内存块的分配只对前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: };

  其中

  • 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； 
  

   

  如果我们需要添加自己的回调函数，则需要调用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: }

  比如：我们可以将一个开打的文件描述符作为资源挂载到内存池上，同时提供一个关闭文件描述的函数注册到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: }