nginx内存池如何实现
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_t max;
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_t
ngx_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
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;
}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
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) {
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_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;
}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
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) {
c->handler(cf);
c->handler = NULL;
return;
}
}
}
}(2) 关闭fd
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);
}
}(3) 删除文件并关闭fd
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);
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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