nginx之内存池的实现

目录

• 一、简介
• 二、数据结构
• 2.1 内存池主要结构
• 2.2 大内存链
• 2.3 清理任务链
• 三、内存结构图
• 3.1 逻辑
• 3.2 实际
• 四、实现
• 4.1 创建内存池
• 4.2 从内存池中分配空间
• 4.3 注册清理任务
• 4.4 重置内存池
• 4.5 销毁内存池
• 4.6 大内存释放
• 4.7 分配并清空数据
• 4.8 回调文件清理

一、简介

最新稳定版本nginx1.20.2。
为了能高效、快速的分配内存，以及减少内存碎片等，nginx实现了自己的内存池基础组件。
主要实现文件ngx_palloc.h, ngx_palloc.c

二、数据结构

2.1 内存池主要结构

typedef struct {    u_char       *last;    u_char       *end;    ngx_pool_t   *next;    ngx_uint_t    failed;} ngx_pool_data_t;struct ngx_pool_s {    ngx_pool_data_t       d;    size_tmax;    ngx_pool_t   *current;    ngx_chain_t  *chain;    ngx_pool_large_t     *large;    ngx_pool_cleanup_t   *cleanup;    ngx_log_t    *log;};

内存池中第一个成员是一个结构体：
使用ngx_pool_data_t结构体来表示当前内存池信息。
last ：下次开始分配的地址
end: 内存池的结束地址
next: 内存池链表，将多个内存池连接起来

max
整个内存池的最大大小

current
指向从当前内存池开始查找可用内存

chain
buffer使用的，这里不涉及

large
当需要的内存大于内存池最大大小时，需要通过malloc直接分配，然后形成链表进行组织

cleanup
清理工作的回调链表

log
日志句柄

2.2 大内存链

当需要分配的内存比内存池的最大大小都大时，内存池无法满足分配，所以直接从系统中分配，然后构成一个链表进行维护。

typedef struct ngx_pool_large_s  ngx_pool_large_t;struct ngx_pool_large_s {    ngx_pool_large_t     *next;    void *alloc;};

2.3 清理任务链

有一个回调任务的链表，当内存池销毁时，将依次遍历此链表，逐一回调handler进行清理工作。

typedef void (*ngx_pool_cleanup_pt)(void *data);typedef struct ngx_pool_cleanup_s  ngx_pool_cleanup_t;struct ngx_pool_cleanup_s {    ngx_pool_cleanup_pt   handler;    void *data;    ngx_pool_cleanup_t   *next;};

三、内存结构图

3.1 逻辑

3.2 实际

可以看出，很多节点都是从内存池中分配的，所以可以把精力都放在实际的数据上而不必在意其他细节上。

四、实现

4.1 创建内存池

/* * NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL should be (ngx_pagesize - 1), i.e. 4095 on x86. * On Windows NT it decreases a number of locked pages in a kernel. */#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL  (ngx_pagesize - 1)#define NGX_DEFAULT_POOL_SIZE    (16 * 1024)

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);    if (p == NULL) {return NULL;    }    p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);    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;    p->current = p;    p->chain = NULL;    p->large = NULL;    p->cleanup = NULL;    p->log = log;    return p;}

从代码中可以看到，内存池最大不超过pagesize的大小

4.2 从内存池中分配空间

分配函数分了内存对齐和内存不对齐，但这只控制了内存池中分配空间，不控制大内存分配。

（1）分配小空间

• 内存对齐 ngx_palloc
• 内存不对齐 ngx_pnalloc

void *ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size){#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)    if (size <= pool->max) {return ngx_palloc_small(pool, size, 1);    }#endif    return ngx_palloc_large(pool, size);}

当需要分配的空间小于max时，将使用小内存分配方式（即从内存池中分配空间），而ngx_pnalloc和ngx_palloc相比只是调用ngx_palloc_small时的最后一个参数为0。

从pool->current指向的内存池开始遍历，寻找满足分配大小的空间，找到则返回首地址

static ngx_inline void *ngx_palloc_small(ngx_pool_t *pool, size_t size, ngx_uint_t align){    u_char      *m;    ngx_pool_t  *p;    p = pool->current;    do {m = p->d.last;if (align) {    m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);}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);}

当现有内存池中都无法满足分配条件时，创建新的内存池

static void *ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size){    u_char      *m;    size_t       psize;    ngx_pool_t  *p, *new;    psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);    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;    for (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {if (p->d.failed++ > 4) {    pool->current = p->d.next;}    }    p->d.next = new;    return m;}

其中，创建好新的内存池后，又做了一次遍历，将failed计数加一，当大于4时，将跳过此内存池，下次就不从它开始查找。
即认为超过4次你都不能满足分配，以后都不能满足分配，不再用你了，减少遍历个数，加快成功分配效率

（2）分配大空间

static void *ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size){    void      *p;    ngx_uint_t n;    ngx_pool_large_t  *large;    p = ngx_alloc(size, pool->log);    if (p == NULL) {return NULL;    }    n = 0;    for (large = pool->large; large; large = large->next) {if (large->alloc == NULL) {    large->alloc = p;    return p;}if (n++ > 3) {    break;}    }    large = ngx_palloc_small(pool, sizeof(ngx_pool_large_t), 1);    if (large == NULL) {ngx_free(p);return NULL;    }    large->alloc = p;    large->next = pool->large;    pool->large = large;    return p;}

可以看出，为了避免分配空间，遍历large链查找可重用的节点，但是如果链表过大又可能太慢，所以只查找前三个，如果三个都没有找到，则直接分配（而且节点也是从内存池中分配的，所以后续清理时，不需要管节点，只需要释放申请的大内存本身）

内存对齐

void *ngx_pmemalign(ngx_pool_t *pool, size_t size, size_t alignment){    void      *p;    ngx_pool_large_t  *large;    p = ngx_memalign(alignment, size, pool->log);    if (p == NULL) {return NULL;    }    large = ngx_palloc_small(pool, sizeof(ngx_pool_large_t), 1);    if (large == NULL) {ngx_free(p);return NULL;    }    large->alloc = p;    large->next = pool->large;    pool->large = large;    return p;}

4.3 注册清理任务

ngx_pool_cleanup_t *ngx_pool_cleanup_add(ngx_pool_t *p, size_t size){    ngx_pool_cleanup_t  *c;    c = ngx_palloc(p, sizeof(ngx_pool_cleanup_t));    if (c == NULL) {return NULL;    }    if (size) {c->data = ngx_palloc(p, size);if (c->data == NULL) {    return NULL;}    } else {c->data = NULL;    }    c->handler = NULL;    c->next = p->cleanup;    p->cleanup = c;    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, p->log, 0, "add cleanup: %p", c);    return c;}

可以看出，这里只是分配了一个节点，并没有设置handler以及data数据，所以还得看具体的调用方进行设置，因为这里返回了分配的节点。

比如在函数ngx_create_temp_file中

ngx_int_tngx_create_temp_file(ngx_file_t *file, ngx_path_t *path, ngx_pool_t *pool,    ngx_uint_t persistent, ngx_uint_t clean, ngx_uint_t access){    ...    cln = ngx_pool_cleanup_add(pool, sizeof(ngx_pool_cleanup_file_t));    if (cln == NULL) {return NGX_ERROR;    }       ...file->fd = ngx_open_tempfile(file->name.data, persistent, access);				...if (file->fd != NGX_INVALID_FILE) {    cln->handler = clean ? ngx_pool_delete_file : ngx_pool_cleanup_file;    clnf = cln->data;    clnf->fd = file->fd;    clnf->name = file->name.data;    clnf->log = pool->log;    return NGX_OK;}			...}

生成临时文件，将fd以及文件名注册到清理任务中，后续文件不使用了则不需要特殊处理，内存内存池释放时将统一清理。

4.4 重置内存池

• 释放大内存
• 重置内存中last
• 重置failed计数

voidngx_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;}

这里有个现象：
在内存池中空间不足时，将调用ngx_palloc_block创建一个新的内存池，而last指向的是m += sizeof(ngx_pool_data_t);, 因此当前新分配的内存池将比第一个内存池可用大小多了（max,current,chain,large,cleanup,log）这几个字段大小（可能没有那么多，因为要对齐，可能对齐后就完全一样了），而现在重置时，p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);每个内存池可用大小又变成一样的。

4.5 销毁内存池

• 回调清理任务
• 释放大内存
• 释放内存池本身

voidngx_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) {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) {if (l->alloc) {    ngx_free(l->alloc);}    }    for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {ngx_free(p);if (n == NULL) {    break;}    }}

4.6 大内存释放

通过遍历找到要释放的节点，将内存释放，并且将alloc设置成NULL,则有了节点重用的情况。

ngx_int_tngx_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;}

4.7 分配并清空数据

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;}

正常分配的空间中都是垃圾数据，所以当前函数在分配空间后，将分配的空间清零。

4.8 回调文件清理

(1) 手动关闭指定fd

遍历清理任务，找到ngx_pool_cleanup_file的handler，如果是要关闭的fd，则回调

voidngx_pool_run_cleanup_file(ngx_pool_t *p, ngx_fd_t fd){    ngx_pool_cleanup_t       *c;    ngx_pool_cleanup_file_t  *cf;    for (c = p->cleanup; c; c = c->next) {if (c->handler == ngx_pool_cleanup_file) {    cf = c->data;    if (cf->fd == fd) {c->handler(cf);c->handler = NULL;return;    }}    }}

(2) 关闭fd

voidngx_pool_cleanup_file(void *data){    ngx_pool_cleanup_file_t  *c = data;    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, c->log, 0, "file cleanup: fd:%d",   c->fd);    if (ngx_close_file(c->fd) == NGX_FILE_ERROR) {ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, c->log, ngx_errno,      ngx_close_file_n " \"%s\" failed", c->name);    }}

(3) 删除文件并关闭fd

voidngx_pool_delete_file(void *data){    ngx_pool_cleanup_file_t  *c = data;    ngx_err_t  err;    ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, c->log, 0, "file cleanup: fd:%d %s",   c->fd, c->name);    if (ngx_delete_file(c->name) == NGX_FILE_ERROR) {err = ngx_errno;if (err != NGX_ENOENT) {    ngx_log_error(NGX_LOG_CRIT, c->log, err,  ngx_delete_file_n " \"%s\" failed", c->name);}    }    if (ngx_close_file(c->fd) == NGX_FILE_ERROR) {ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, c->log, ngx_errno,      ngx_close_file_n " \"%s\" failed", c->name);    }}

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