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Nginx源码阅读1-内存池

首先我们来看一下他的一个基础组件:内存池组件。为什么先从内存池开始呢,因为后面 nginx 的内置数据结构,如:array,string 等都是从内存池分配的。

为什么需要内存池呢?在高并发的前提下,会大量地申请和释放小块的内存;虽然内核中也有相关的内存优化操作,但是还是容易出现大量地内存碎片,内存利用效率很低。如果我们一开始就申请一块大内存,自己对这一块大内存进行操作和管理,就可以高效的利用内存。

nginx 的内存池设计是十分巧妙的,我们一起来看一下,最好是后面手动实现一下。

数据结构

内存池结构体

struct ngx_pool_s {
    ngx_pool_data_t       d; // 存储的数据
    size_t                max; // 单次申请的最大内存
    ngx_pool_t           *current; // 当前使用的内存池
    ngx_chain_t          *chain; // 缓冲区链表
    ngx_pool_large_t     *large; // 存放大块数据的链表
    ngx_pool_cleanup_t   *cleanup; // 存放自定义清理函数的链表
    ngx_log_t            *log; // 日志
};

内存池数据结构体

typedef struct {
    u_char               *last; // 指向可用内存的起始地址
    u_char               *end; // 指向可用内存的末尾地址
    ngx_pool_t           *next; // 指向下一个内存池
    ngx_uint_t            failed; // 存储失败的次数
} ngx_pool_data_t;

大数据块结构体

struct ngx_pool_large_s {
    ngx_pool_large_t     *next; // 指向下一个大数据块
    void                 *alloc; // 大块数据
};

自定义清理函数结构体

struct ngx_pool_cleanup_s {
    ngx_pool_cleanup_pt   handler; // 清理函数
    void                 *data; // 存储的数据
    ngx_pool_cleanup_t   *next; // 下一个自定义清理函数结构
};

结构图

相关函数

创建内存池

ngx_pool_t *
ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
{
    ngx_pool_t  *p;
    // 申请一块内存池的内存
    p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log);
    if (p == NULL) {
        return NULL;
    }

    // 将可用内存的首部偏移到结构体头之后
    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;

    // 可用内存
    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;
}

销毁内存池

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) {
        if (c->handler) {
            // 输出日志
            ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
                           "run cleanup: %p", c);
            // 执行清理回调
            c->handler(c->data);
        }
    }

#if (NGX_DEBUG)

    /*
     * we could allocate the pool->log from this pool
     * so we cannot use this log while free()ing the pool
     */

    for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0, "free: %p", l->alloc);
    }

    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
    // 遍历销毁大数据链表
    for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        if (l->alloc) {
            ngx_free(l->alloc);
        }
    }

    // 遍历销毁内存池
    for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
        ngx_free(p);

        if (n == NULL) {
            break;
        }
    }
}

重置内存池

void
ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool)
{
    ngx_pool_t        *p;
    ngx_pool_large_t  *l;

    // 遍历销毁大数据链表
    for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        if (l->alloc) {
            ngx_free(l->alloc);
        }
    }

    // 将可用指针指向结构体内存之后,重新开始写后面的内存
    for (p = pool; p; p = p->d.next) {
        p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
        p->d.failed = 0;
    }

    // 初始化
    pool->current = pool;
    pool->chain = NULL;
    pool->large = NULL;
}

向内存池申请内存

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

	// 如果大小超过max,就申请大内存块
    return ngx_palloc_large(pool, size);
}


void *
ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size) // 无字节对齐
{
#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)
    if (size <= pool->max) {
        return ngx_palloc_small(pool, size, 0);
    }
#endif

    return ngx_palloc_large(pool, size);
}

内存池加入新的块

static void *
ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
    u_char      *m;
    size_t       psize;
    ngx_pool_t  *p, *new;

    // 当前内存池的总可用大小
    psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);

    // 创建一个新内存池
    m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
    if (m == NULL) {
        return NULL;
    }

    new = (ngx_pool_t *) m;

    // 末位置
    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);
    // 初始位置要在需要的存储数据的内存之后
    new->d.last = m + size;

    // 加入链表
    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;
}

开辟大内存块

static void *
ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
    void              *p;
    ngx_uint_t         n;
    ngx_pool_large_t  *large;

    // 申请一块需要大小的内存
    p = ngx_alloc(size, pool->log);
    if (p == NULL) {
        return NULL;
    }

    n = 0;

    // 如果没有找到未使用的大内存块写遍历次数大于三就退出循环
    for (large = pool->large; large; large = large->next) {
        if (large->alloc == NULL) {
            large->alloc = p;
            return p;
        }

        if (n++ > 3) {
            break;
        }
    }

    // 创建一个未使用的大内存块
    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;
}

释放大内存块

ngx_int_t
ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
{
    ngx_pool_large_t  *l;

    // 遍历释放
    for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        if (p == l->alloc) {
            // 打印日志
            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;
}

添加自定义清理函数

ngx_pool_cleanup_t *
ngx_pool_cleanup_add(ngx_pool_t *p, size_t size)
{
    ngx_pool_cleanup_t  *c;

    // 申请自定义清理模块内存
    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;
    }

    // 回调函数初始化为null
    c->handler = NULL;
    c->next = p->cleanup;

    p->cleanup = c;

    // 输出日志
    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, p->log, 0, "add cleanup: %p", c);

    return c;
}

删除链表上的 cleanup 块

void
ngx_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) {
                // 执行回调函数
                c->handler(cf);
                c->handler = NULL;
                return;
            }
        }
    }
}

这个 cleanup 块可以存储任何需要清理的东西,所以他就可以操作文件,内存设备等,给这个内存池提供了很大的灵活性。

删除文件回调函数

// 可以看到上面的函数有调用这个函数的if,如果调用这个,那都会被清理
void
ngx_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);
    }
}

删除文件

void
ngx_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);
    // 删除文件
    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);
        }
    }
    // 关闭文件
    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);
    }
}

http://www.kler.cn/a/290622.html

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