【项目日记】高并发内存池---实现页缓存

1 页缓存整体设计思路

首先我们来看页缓存的设计思路，明白思路，代码就可以更加舒畅的写出来，并且这个项目的调试比较困难，一定一定要仔细明白设计思路，把代码仔细写好才能保证我们的开发效率！

页缓存是所有线程共享的，当线程缓存内部的_freelist中没有内存块时，会向中心缓存进行申请。中心缓存内部的_spanlist如果span中还有内存块就可以进行返回，如果没有就要去页缓存进行Span的申请。页缓存全局只有一个！

• 页缓存需要设计为单例模式！这里使用懒汉模式实现!

页缓存内部与线程缓存和中心缓存不一样，内部不是通过内存大小进行的映射，而是通过页的数量来进行映射。每次中心缓存申请是时候会标明申请的页数，进而找到对应页的链表，查看是否有可以使用的span，如果没有，就向页数大的链表查找，如果有就进行拆分！

• 页缓存内部存在以页数作为映射的链表数组！
• 页缓存内部的申请机制是先在对应页数的链表中进行查找，命中就直接进行返回。没有有命中就向页数大的链表中进行查找，命中就进行拆分。如果没有命中，就创建一个最大页数的span，挂载到对应链表上！

2 框架搭建

现在我们来通过单例模式搭建其基础的框架：

1. 类内设置唯一静态对象，注意要在类外进行定义！
2. 设置GetInstance()，可以获取唯一静态对象，在第一次获取时进行创建！
3. 注意需要单例锁来进行保护，因为第一次获取时很有可能会让两个线程同时进来，就会导致错误！

class PageCache
{
public:
	//懒汉模式进行时间
	static PageCache* GetInstance()
	{
		if (_pinfo == nullptr)
		{
			std::unique_lock<std::mutex> lock(_single_mtx);
			if (_pinfo == nullptr)
			{
				_pinfo = new PageCache();
			}
		}
		return _pinfo;
	}
	//给中心缓存提供span的接口
	Span* NewSpan(size_t num);
private:
	//根据span的页的个数进行分类
	SpanList _pageList[PAGENUM]; // 1 - 128
	//页锁
	std::mutex _page_mtx;
//单例模式设计
private:
	static PageCache* _pinfo;		//需要类外声明
	static std::mutex _single_mtx;	//单例锁
	//构造函数私有化
	PageCache() {};
	//拷贝构造 赋值重载 删除
	PageCache(const PageCache&) = delete;
	PageCache operator=(const PageCache&) = delete;

};

3 NewSpan函数

NewSpan函数通过中心缓存提供的页数来进行查找：

1. 首先先在num对应的链表中查找是否有可以使用的span。
2. 如果没有就向页数大的链表中进行查找，如果找到就进行拆分，分成两个span，一个用来返回，另一个再重新插入到对应链表中
3. 如果没有就创建一个大span，挂载到最大页数对应的链表中，然后再次返回调用NewSpan进行递归即可！

Span* PageCache::NewSpan(size_t num)
{
	// 1 - 128
	assert(num > 0 && num < PAGENUM);
	//先在当前页对应的链表中进行寻找，没有就向后寻找
	if (!_pageList[num].Empty())
	{
		//不为空就直接返回一个span对象
		return _pageList->PopFront();
	}
	//如果没有 遍历后续的链表 查看有没有更大的span
	else
	{
		for (int i = num + 1; i < PAGENUM; i++)
		{
			if (!_pageList[i].Empty())
			{
				//不为空 说明存在页数为 i 的 span
				//进行拆分
				Span* kspan = new Span;
				Span* nspan = _pageList[i].PopFront();

				//kspan 的赋值
				kspan->_n = num;
				kspan->_pageid = nspan->_pageid;

				nspan->_n -= num;
				nspan->_pageid += num;

				_pageList[nspan->_n].PushFront(nspan);
				return kspan;
			}
		}
	}
	//到了这里就说明整个_pagelist中没有可以使用的span , 需要申请一个大span
	Span* bigspan = new Span;
	//申请大空间
	void* ptr = SystemAlloc(PAGENUM - 1);
	//通过ptr初始化newspan
	bigspan->_n = PAGENUM - 1;
	bigspan->_pageid = (PAGE_ID)ptr >> PAGE_SHIFT;
	
	//插入到_pagelist中
	_pageList[PAGENUM - 1].PushFront(bigspan);

	//递归调用
	return NewSpan(num);
}

注意NewSpan函数是对临界区的操作，需要进行加锁，但是这里设计到了递归调用函数，在函数内使用普通的互斥锁会造成死锁，对于这个问题一般有三种解决方案：

1. 使用递归锁recursive_mutex，就可以避免出现递归造成的死锁问题！
2. 设置子函数，我们函数NewSpan中进行上锁，然后调用子函数_NewSpan进行操作！
3. 在进入NewSpan之前就上好锁，结束退出之后再解锁，类似子函数的解决方案！

这里还有加入对应的内存开辟函数，使用条件编译，使其适配所有的操作系统！

#ifdef _WIN32
#define NOMINMAX//避免和std中的min max冲突！
#include<windows.h>
#else
// linux
#endif


// --- 直接去堆上按页申请空间 ---
inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)
{
#ifdef _WIN32
	void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage << 13, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
#else
	// linux下brk mmap等
#endif

	if (ptr == nullptr)
		throw std::bad_alloc();

	return ptr;
}

4 请求Span联动

我们回到中心缓存的GetOneSpan 函数中，线程缓存向这里索要span，中心缓存给不出就去页缓存申请Span:

1. 首先先在中心缓存中的spanlist中进行查找，如果有就直接进行返回
2. 没有span就去页缓存中进行申请，注意这里要把list桶锁解掉，因为操作会去到页缓存，离开list临界区。如果继续上锁会影响释放内存的操作！
3. 从页缓存中获取到span就进行处理：
   • 首先通过span的_pageid确定地址区间，然后通过start和end两个指针将span内部的大内存块拆分成小内存块尾插到span->_freelist中。尾插物理空间连续， 缓存利用率高！
   • 最后将span插入到链表中，并将其返回！线程缓存会对span的_freelist中的内存块进行操作！

Span* CentralCache::GetOneSpan(SpanList& list, size_t size)
{
	//...等待联动...
	//向spanlist中寻找是否有span可以使用
	Span* it = list.Begin();
	//找到挂载着内存块的span！
	if (it != list.End())
	{
		if (it->_freelist != nullptr)
		{
			return it;
		}
		else
		{
			it = it->_next;
		}
	}
	//到这里说明spanlist中没有span对象
	//没有就向页缓存申请
	//1. 需要计算需要申请几个页！ SizeClass::NumMovePage
	size_t num = SizeClass::NumMovePage(size);
	list.GetMutex().unlock();//将桶锁解开  避免影响该链表是内存的释放
	//根据页数申请span
	PageCache::GetInstance()->GetMuetx().lock(); // 上页锁
	Span* span = PageCache::GetInstance()->NewSpan(num);
	PageCache::GetInstance()->GetMuetx().unlock();
	//不需要立刻恢复桶锁 到临界区在上锁就可以

	//获取到span之后进行处理
	//通过获取的span内部的属性确定其映射的地址区间！
	//通过span的页号确定span的起始地址
	char* start = (char*)(span->_pageid << PAGE_SHIFT);
	char* end = start + (num << PAGE_SHIFT);//页数确定内存字节数大小

	//把大块内存切好挂接起来 --- 最好使用尾插 物理空间连续 缓存利用率高
	span->_freelist = start;
	start += size;
	void* tail = span->_freelist;
	while (start < end)
	{
		NextObj(tail) = start;
		tail = start; //tail = NextObj(tail) 
		start += size;
	}
	//放入spanlist中 需要加锁
	list.GetMutex().lock();
	list.PushFront(span);

	return span;

	//return nullptr;
}

这样就形成闭环，我们的申请大致的框架就已经完了，下一篇文章我们来进行申请联调的测试！！！