jemalloc存储块(region、run、chunk)

jemalloc中按存储单元的块大小分，有region、run、chunk三种存储块。

最小的单元是region，它的大小是8字节~14KB，1个或多个相同大小的region组成一个run。

run的大小必须是页(4kB)的整数倍，相同大小region对应的run的大小总是相同的，多个run组成一个chunk。

chunk的大小固定是2M（或4M，可配置）。

region size	run size	number of region in run
8	4K	512
16	4k	256
32	4k	128
48	12k	256
64	4k	64
80	20k	256
96	12k	128
112	28k	256
128	4k	32
160	20k	128
192	12k	64
224	28k	128
256	4k	16
320	20k	64
384	12k	32
448	28k	64
512	4k	8
640	20k	32
768	12k	16
896	28k	32
1024	4k	4
1280	20k	16
1536	12k	8
1792	28k	16
2048	4k	2
2560	20k	8
3072	12k	4
3584	20k	8
4096	4k	1
5120	20k	4
6144	12k	2
7168	28k	4
8192	8k	1
10240	20k	2
12288	12k	1
14336	28k	2

相关代码：

arena_bin_info_t    arena_bin_info[NBINS];

static void
bin_info_init(void)
{
    arena_bin_info_t *bin_info;

#define    BIN_INFO_INIT_bin_yes(index, size)                
    bin_info = &arena_bin_info[index];                
    bin_info->reg_size = size;                    
    bin_info_run_size_calc(bin_info);                
    bitmap_info_init(&bin_info->bitmap_info, bin_info->nregs);
#define    BIN_INFO_INIT_bin_no(index, size)
#define    SC(index, lg_grp, lg_delta, ndelta, bin, lg_delta_lookup)    
    BIN_INFO_INIT_bin_##bin(index, (ZU(1)<<lg_grp) + (ZU(ndelta)<<lg_delta))
    SIZE_CLASSES
#undef BIN_INFO_INIT_bin_yes
#undef BIN_INFO_INIT_bin_no
#undef SC
}

gdb中打印arena_bin_info：

(gdb) p je_arena_bin_info
$353 = {{
    reg_size = 8, 
    redzone_size = 0, 
    reg_interval = 8, 
    run_size = 4096, 
    nregs = 512, 
    bitmap_info = {
      nbits = 512, 
      ngroups = 8
    }, 
    reg0_offset = 0
  }, {
    reg_size = 16, 
    redzone_size = 0, 
    reg_interval = 16, 
    run_size = 4096, 
    nregs = 256, 
    bitmap_info = {
      nbits = 256, 
      ngroups = 4
    }, 
    reg0_offset = 0
  }, {
    reg_size = 32, 
    redzone_size = 0, 
    reg_interval = 32, 
    run_size = 4096, 
    nregs = 128, 
    bitmap_info = {
      nbits = 128, 
      ngroups = 2
    }, 
    reg0_offset = 0
  }, {
     ...
  }, {
    reg_size = 12288, 
    redzone_size = 0, 
    reg_interval = 12288, 
    run_size = 12288, 
    nregs = 1, 
    bitmap_info = {
      nbits = 1, 
      ngroups = 1
    }, 
    reg0_offset = 0
  }, {
    reg_size = 14336, 
    redzone_size = 0, 
    reg_interval = 14336, 
    run_size = 28672, 
    nregs = 2, 
    bitmap_info = {
      nbits = 2, 
      ngroups = 1
    }, 
    reg0_offset = 0
  }}

region、run、chunk之间的位置关系如下：

接下来看看chunk header的结构。

以0x7f86a43000这个地址为例，由于静态变量chunk_size的大小是2M：

(gdb) p /x je_chunksize
$294 = 0x200000

因此chunk是2M字节对齐的，0x7f86a43000对应的chunk的地址为0x7f86a00000。

chunk数据结构的声明：

typedef struct arena_chunk_s arena_chunk_t;

struct arena_chunk_s {
    extent_node_t        node;
    arena_chunk_map_bits_t    map_bits[1]; /* Dynamically sized. */
};

typedef struct extent_node_s extent_node_t;

struct extent_node_s {
    arena_t            *en_arena;
    void            *en_addr;
    size_t            en_size;
    bool            en_zeroed;
    bool            en_committed;
    bool            en_achunk;
    prof_tctx_t        *en_prof_tctx;
    arena_runs_dirty_link_t    rd;
    qr(extent_node_t)    cc_link;

    union {
        rb_node(extent_node_t)    szad_link;
        ql_elm(extent_node_t)    ql_link;
    };
    rb_node(extent_node_t)    ad_link;
};

运行时0x7f86a00000对应的chunk，它的实际内容如下:

(gdb) p /x *(arena_chunk_t *)0x7f86a00000
$292 = {
  node = {
    en_arena = 0x7f93e02200, 
    en_addr = 0x7f86a00000, 
    en_size = 0x200000, 
    en_zeroed = 0x1, 
    en_committed = 0x1, 
    en_achunk = 0x1, 
    en_prof_tctx = 0x0, 
    rd = {
      rd_link = {
        qre_next = 0x0, 
        qre_prev = 0x0
      }
    }, 
    cc_link = {
      qre_next = 0x0, 
      qre_prev = 0x0
    }, 
    {
      szad_link = {
        rbn_left = 0x0, 
        rbn_right_red = 0x0
      }, 
      ql_link = {
        qre_next = 0x0, 
        qre_prev = 0x0
      }
    }, 
    ad_link = {
      rbn_left = 0x0, 
      rbn_right_red = 0x0
    }
  }, 
  map_bits = {{
      bits = 0x23fe3
    }}
}

一个chunk的大小是2M = 512*4K，也就是512个page。

其中，前12个page用于管理块Header，后500个page是实际可使用的内存。

这500个page又被划分为若干个run，每个run又由若干的page组成。

Header的结构如下：

其中arena_chunk_t就是前面介绍过的，描述这个chunk的结构体。

它的最后一个成员map_bits和之后的499个arena_chunk_map_bits_t一起构成一个数组，描述该chunk所包含的500个page。

之后的arena_chunk_map_misc_t同样描述这500个page所属的run。

通过ptr找到所属chunk：

chunk = (arena_chunk_t *)CHUNK_ADDR2BASE(ptr);

其中

#define	CHUNK_ADDR2BASE(a)	((void *)((uintptr_t)(a) & ~chunksize_mask))

(gdb) p /x je_chunksize_mask
$315 = 0x1fffff

因此0x7f86a43000对应的chunk地址为0x7f86a00000。

我们可以用pageind表示0x7f86a43000这个地址在chunk中的页偏移

pageind = ((uintptr_t)ptr - (uintptr_t)chunk) >> LG_PAGE;

得出pageind = 67：

(gdb) p (0x7f86a43000 - 0x7f86a00000)/0x1000
$318 = 67

因此，这个页对应的mapbits为：

mapbits = chunk->map_bits[pageind-map_bias]);

其中map_bias = 12，因为chunk的前12个page是属于chunk header，真正可用的是第13个page开始的。

(gdb) p /x ((arena_chunk_t *)0x7f86a00000)->map_bits[67-12]->bits
$320 = 0x141

chunk的mapbits的各个位的含义如下：

#define    CHUNK_MAP_ALLOCATED       ((size_t)0x01U)
#define    CHUNK_MAP_LARGE           ((size_t)0x02U)
#define    CHUNK_MAP_STATE_MASK      ((size_t)0x3U)

#define    CHUNK_MAP_DECOMMITTED     ((size_t)0x04U)
#define    CHUNK_MAP_UNZEROED        ((size_t)0x08U)
#define    CHUNK_MAP_DIRTY           ((size_t)0x10U)
#define    CHUNK_MAP_FLAGS_MASK      ((size_t)0x1cU)

#define    CHUNK_MAP_BININD_SHIFT    5
#define    BININD_INVALID            ((size_t)0xffU)
#define    CHUNK_MAP_BININD_MASK     (BININD_INVALID << CHUNK_MAP_BININD_SHIFT)
#define    CHUNK_MAP_BININD_INVALID  CHUNK_MAP_BININD_MASK

#define    CHUNK_MAP_RUNIND_SHIFT    (CHUNK_MAP_BININD_SHIFT + 8)
#define    CHUNK_MAP_SIZE_SHIFT      (CHUNK_MAP_RUNIND_SHIFT - LG_PAGE)
#define    CHUNK_MAP_SIZE_MASK       (~(CHUNK_MAP_BININD_MASK | CHUNK_MAP_FLAGS_MASK | CHUNK_MAP_STATE_MASK))

对应0x141：

runind = 0b0000 = 0

binind = 0b1010 = 0xa = 10

前面讲过run是由多个page组成，这里的runind就是当前page在其所属run中的索引。

runind = 0表示当前page是其所属run中的第一个page。

(gdb) p /x ((arena_chunk_t *)0x7f86a00000)->map_bits[67-12]->bits
$337 = 0x141
(gdb) p /x ((arena_chunk_t *)0x7f86a00000)->map_bits[68-12]->bits
$338 = 0x2141
(gdb) p /x ((arena_chunk_t *)0x7f86a00000)->map_bits[69-12]->bits
$339 = 0x4141
(gdb) p /x ((arena_chunk_t *)0x7f86a00000)->map_bits[70-12]->bits
$340 = 0x381

可以看到68、69号page，他们的runind分别为1和2，因此可知67、68、69是同属于一个run的。

misc = (arena_chunk_map_misc_t *)((uintptr_t)chunk + (uintptr_t)map_misc_offset) + (pageind - runind)- map_bias)

misc的数据结构声明:

typedef struct arena_chunk_map_misc_s arena_chunk_map_misc_t;

struct arena_chunk_map_misc_s {
    /*
     * Linkage for run trees.  There are two disjoint uses:
     *
     * 1) arena_t's runs_avail tree.
     * 2) arena_run_t conceptually uses this linkage for in-use non-full
     *    runs, rather than directly embedding linkage.
     */
    rb_node(arena_chunk_map_misc_t)        rb_link;

    union {
        /* Linkage for list of dirty runs. */
        arena_runs_dirty_link_t        rd;

        /* Profile counters, used for large object runs. */
        union {
            void            *prof_tctx_pun;
            prof_tctx_t        *prof_tctx;
        };

        /* Small region run metadata. */
        arena_run_t            run;
    };
};

在small region的情况下，misc是由用于连接arena中的rb树的rb_link和arena_run_t结构的run组成。

arena的bins中runcur就是指向某个chunk中的某个arena_chunk_map_misc_t[]中的某个run。

运行时的数据如下：

(gdb) p /x *((arena_chunk_map_misc_t *)0x7f86a01008 + 67 - 12)
$344 = {
  rb_link = {
    rbn_left = 0x0, 
    rbn_right_red = 0x1
  }, 
  {
    ...
    run = {
      binind = 0xa, 
      nfree = 0x0, 
      bitmap = {0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}
    }
  }
}

从run信息可以看到，这个run对应的binind为10，空闲region数为0。

因此，arena_chunk_map_bits_t[500]是描述chunk内的500个page的，而arena_chunk_map_misc_t[500]是描述run的，

一般多个page组成一个run，也就是说一个chunk中run的个数远远小于500个，所以arena_chunk_map_misc_t[500]中很多数据都是空的。