nginx内存池源码剖析
在很多博客中都将nginx内存池的关系图的next指针指向的结构体画成ngx_pool_data_t类型(可能是为了方便读者理解而故意那样画的),但是通过源码可以看出,next实际指向实际上应该是ngx_pool_s类型,所以我特意找了一张符合源码结构的图
nginx关于内存池的源码路径是src/core/目录下ngx_palloc.h和ngx_palloc.cpp文件
相关结构体定义
// 大块内存
typedef struct ngx_pool_large_s ngx_pool_large_t;
struct ngx_pool_large_s {
ngx_pool_large_t *next; // 下一个大块内存池
void *alloc; // 实际分配内存
};
// 小块内存池
typedef struct {
u_char *last; // 可分配内存起始地址
u_char *end; // 可分配内存结束地址
ngx_pool_t *next; // 指向内存管理结构
ngx_uint_t failed; // 内存分配失败次数
} ngx_pool_data_t;
// 内存池管理结构
typedef struct ngx_pool_s ngx_pool_t;
struct ngx_pool_s {
ngx_pool_data_t d; // 小块内存池
size_t max; // 小块内存最大的分配内存，评估大内存还是小块内存
ngx_pool_t *current; // 当前开始分配的小块内存池
ngx_chain_t *chain; // chain
ngx_pool_large_t *large; // 大块内存
ngx_pool_cleanup_t *cleanup; // 待清理资源
ngx_log_t *log; // 日志对象
};
ngx_pool_t 是整个内存池的管理结构，这种结构对于个内存池对象来说可能存在多个，但是对于用户而言，第一下访问的始终是创建时返回的那个。多个 ngx_pool_t 通过 d.next 来进行连接，current 指向 当前开始分配的小块内存池，注意 ngx_pool_data_t 在内存池结构的起始处，可以进行类型转换访问到不同的成员。
nginx的每一个节点都是nginx-pool-t类型，，但是除了头结点外剩下的节点只使用了nginx-pool-data-t部分
内存对齐
#define ngx_align(d, a) (((d) + (a - 1)) & ~(a - 1))
#define ngx_align_ptr(p, a) \
(u_char *) (((uintptr_t) (p) + ((uintptr_t) a - 1)) & ~((uintptr_t) a - 1))
创建内存池
在nginx中都以16字节为单位对齐
max 的最大值为 4095，当从内存池中申请的内存大小大于 max 时，不会从小块内存中进行分配。
#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL (ngx_pagesize - 1)
#define NGX_DEFAULT_POOL_SIZE (16 * 1024)
#define NGX_POOL_ALIGNMENT 16
#define NGX_MIN_POOL_SIZE \
ngx_align((sizeof(ngx_pool_t) + 2 * sizeof(ngx_pool_large_t)), \
NGX_POOL_ALIGNMENT)
ngx_pool_t * ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
{
ngx_pool_t *p;
p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log); 分配一块 size 大小的内存 内存空间16字节对齐
if (p == NULL) {
return NULL;
}
// 对pool中的数据项赋初始值
p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t); //可用空间要减去这个头部 首sizeof(ngx_pool_t)便是pool的header信息，header信息中的各个字段用于管理整个pool
p->d.end = (u_char *) p + size;
p->d.next = NULL;
p->d.failed = 0;
size = size - sizeof(ngx_pool_t);
p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL; //不能超过NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL// pool 中最大可用大小
p->current = p;
p->chain = NULL;
p->large = NULL;
p->cleanup = NULL;
p->log = log;
return p; //指向空间最顶部头部
}
内存申请
在nginx源码中有三个可以申请内存的函数,他们有细微区别
- ngx_palloc 普通版本
- ngx_pnalloc 内存对齐版本
- ngx_pcalloc 会调用ngx_palloc然后初始化内存(清0)
void *
ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
u_char *m;
ngx_pool_t *p;
// 判断 size 是否大于 pool 最大可使用内存大小
if (size <= pool->max) {
p = pool->current; //从current所在的pool数据节点开始往后遍历寻找那个节点可以分配size内存
do {
m = ngx_align_ptr(p->d.last, NGX_ALIGNMENT);// 将 m 对其到内存对齐地址
if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {// 判断 pool 中剩余内存是否够用
p->d.last = m + size;
return m;
}
p = p->d.next;//如果当前内存不够，则在下一个内存快中分配空间
} while (p);
return ngx_palloc_block(pool, size);
}
return ngx_palloc_large(pool, size);
}
void *
ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
u_char *m;
ngx_pool_t *p;
if (size <= pool->max) {
p = pool->current;
do {
m = p->d.last;
if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {
p->d.last = m + size;
return m;
}
p = p->d.next;
} while (p);
return ngx_palloc_block(pool, size);
}
return ngx_palloc_large(pool, size);
}
void *
ngx_pcalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
void *p;
p = ngx_palloc(pool, size);
if (p) {
ngx_memzero(p, size);
}
return p;
}
小块内存申请
当没有小块内存池满足申请时，会再申请一个小块内存池来满足分配，在设置完 last 和 end 两个内存指示器后，对从 current 开始的内存池成员 failed 进行自增操作，并且当这个内存池的 failed 分配次数大于 4 时，表面这个内存分配失败的次数太多，根据经验应该下一次分配可能还是失败，所以直接跳过这个内存池，移动 current。
//如果前面开辟的pool空间已经用完，则从新开辟空间ngx_pool_t
static void *
ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
u_char *m;
size_t psize;
ngx_pool_t *p, *new;
// 先前的整个 pool 的大小
psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);
在内存对齐了的前提下，新分配一块内存
m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
if (m == NULL) {
return NULL;
}
new = (ngx_pool_t *) m;
new->d.end = m + psize;
new->d.next = NULL;
new->d.failed = 0;
m += sizeof(ngx_pool_data_t);
m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
new->d.last = m + size;
// 判断在当前 pool 分配内存的失败次数，即：不能复用当前 pool 的次数，
// 如果大于 4 次，这放弃在此 pool 上再次尝试分配内存，以提高效率
//如果失败次数大于4（不等于4），则更新current指针，放弃对老pool的内存进行再使用
for (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {
if (p->d.failed++ > 4) {
pool->current = p->d.next;// 更新 current 指针， 每次从pool中分配内存的时候都是从curren开始遍历pool节点获取内存的
}
}
// 让旧指针数据区的 next 指向新分配的 pool
p->d.next = new;
return m;
}
大块内存申请
大块内存是通过 large 连接的，并且都属于 ngx_create_pool 返回的 ngx_pool_t 结构。malloc 分配的内存由一个 ngx_pool_large_t 节点来挂载，而这个 ngx_pool_large_t 节点又是从小块内存池中分配的。
- 为避免large链表长度过大导致在遍历寻找空闲挂载节点耗时过长，限制了遍历的节点为3，如果没有满足要求则直接分配
- 头插法 插入至large链表中，新的节点后面也是最先被访问
static void *
ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
void *p;
ngx_uint_t n;
ngx_pool_large_t *large;
/*
// 重新申请一块大小为 size 的新内存
// 注意：此处不使用 ngx_memalign 的原因是，新分配的内存较大，对其也没太大必要
// 而且后面提供了 ngx_pmemalign 函数，专门用户分配对齐了的内存
*/
p = ngx_alloc(size, pool->log);
if (p == NULL) {
return NULL;
}
n = 0;
// 查找largt链表上空余的large 指针
for (large = pool->large; large; large = large->next) {
if (large->alloc == NULL) { //就用这个没用的large
large->alloc = p;
return p;
}
/*
// 如果当前 large 后串的 large 内存块数目大于 3 （不等于3），
// 则直接去下一步分配新内存，不再查找了
*/
if (n++ > 3) {//也就是说如果pool->large头后面连续4个large的alloc指针都被用了，则重新申请一个新的pool_larg并放到pool->large头部
break; //????? 感觉没啥用，因为后面每次alloc的large对应的alloc都是赋值了的
}
}
large = ngx_palloc(pool, sizeof(ngx_pool_large_t));
if (large == NULL) {
ngx_free(p);
return NULL;
}
// 将新分配的 large 串到链表后面
large->alloc = p;
large->next = pool->large;
pool->large = large;
return p;
}
大块内存释放
ngx_int_t
ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
{
ngx_pool_large_t *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (p == l->alloc) {
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
"free: %p", l->alloc);
ngx_free(l->alloc);
l->alloc = NULL;
return NGX_OK;
}
}
return NGX_DECLINED;
}
销毁pool
void
ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)
{
ngx_pool_t *p, *n;
ngx_pool_large_t *l;
ngx_pool_cleanup_t *c;
for (c = pool->cleanup; c; c = c->next) { //cleanup在ngx_pool_cleanup_add赋值
if (c->handler) {
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
"run cleanup: %p", c);
c->handler(c->data);
}
}
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0, "free: %p", l->alloc);
if (l->alloc) {
ngx_free(l->alloc);
}
}
#if (NGX_DEBUG)
/*
* we could allocate the pool->log from this pool
* so we cannot use this log while free()ing the pool
*/
for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
"free: %p, unused: %uz", p, p->d.end - p->d.last);
if (n == NULL) {
break;
}
}
#endif
for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
ngx_free(p);
if (n == NULL) {
break;
}
}
}
重置pool
void
ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool)
{
ngx_pool_t *p;
ngx_pool_large_t *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
ngx_free(l->alloc);
}
}
for (p = pool; p; p = p->d.next) {
p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
p->d.failed = 0;
}
pool->current = pool;
pool->chain = NULL;
pool->large = NULL;
}
总结
- 小块内存使用尾插法,大块内存使用头插法,
- 大块内存申请挂载时如果前面三个节点都有对象,则不再向后遍历,直接创建一个节点插在头部
- 如果一个小块内存超过四次都没有成功分配出内存,则认为他已经没有足够的内存了,则会抛弃(之后不在考虑在这个节点上分配内存)
- 小块内存节点的内存不回收,但是大内存块的节点可以回收,提供回收方法
- 内存对齐，多处内存对齐减少内存跨 cache 的数量
- nginx内存池注重时间(空间换时间),内存的利用度并不高,与c++ sgi stl的二级内存池有很大的差异,这是由于nginx的业务场景所决定的