nginx源码学习内存池

最近在进行监控平台的设计，之前一直觉得C/C++中最棘手的部分是内存的管理上，远不止new/delete、malloc/free这么简单。随着代码量的递增，程序结构复杂度的提高。各种内存方面的问题悄然滋生。而且作为平台，后期的插件扩展在所难免。长时间运行的采集平台的特性更是提出了对稳定性的高要求。不是c#、java，没有虚拟机为你管理内存，一切都要靠自己。于是想看看nginx、python、lua这些C的经典之作在内存管理这块“要地”又是如何处理的。

    先来看看nginx吧，因为网上都说nginx的内存池设计的非常精巧：

1、基本结构

先来学习一下nginx内存池的几个主要数据结构：[见：./src/core/ngx_palloc.h/.c]

    ngx_pool_data_t（内存池数据块结构）

typedef struct {
    u_char               *last;
    u_char               *end;
    ngx_pool_t           *next;
    ngx_uint_t            failed;
} ngx_pool_data_t;

ngx_pool_s（内存池头部结构）

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;
};

可以说，ngx_pool_data_t和ngx_pool_s基本构成了nginx内存池的主体结构，下面详细介绍一下nginx内存池的主体结构：

如上图，nginx的内存池实际是一个由ngx_pool_data_t和ngx_pool_s构成的链表，其中：

ngx_pool_data_t中：

last：是一个unsigned char 类型的指针，保存的是/当前内存池分配到末位地址，即下一次分配从此处开始。

end：内存池结束位置；

next：内存池里面有很多块内存，这些内存块就是通过该指针连成链表的，next指向下一块内存。

failed：内存池分配失败次数。

ngx_pool_s

d：内存池的数据块；

max：内存池数据块的最大值；

current：指向当前内存池；

chain：该指针挂接一个ngx_chain_t结构；

large：大块内存链表，即分配空间超过max的情况使用；

cleanup：释放内存池的callback

log：日志信息

以上是内存池涉及的主要数据结构，为了尽量简化，其他涉及的数据结构将在下面实际用到时候再做介绍。

2、内存池基本操作

内存池对外的主要方法有：

创建内存池	ngx_pool_t *  ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log);
销毁内存池	void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool);
重置内存池	void ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool);
内存申请（对齐）	void *  ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);
内存申请（不对齐）	void *  ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);
内存清除	ngx_int_t  ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p);

注：

在分析内存池方法前，需要对几个主要的内存相关函数作一下介绍（见：./src/Os/Unix（Win32）/ngx_alloc.h/.c）

这里仅对Win32的作介绍：

ngx_alloc：（只是对malloc进行了简单的封装）

void *ngx_alloc(size_t size, ngx_log_t *log)
{
    void  *p;

    p = malloc(size);
    if (p == NULL) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, ngx_errno,
                      "malloc(%uz) failed", size);
    }

    ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0, "malloc: %p:%uz", p, size);

    return p;
}

ngx_calloc：（调用malloc并初始化为0）

void *ngx_calloc(size_t size, ngx_log_t *log)
{
    void  *p;

    p = ngx_alloc(size, log);

    if (p) {
        ngx_memzero(p, size);
    }

    return p;
}

ngx_memzero：

#define ngx_memzero(buf, n)       (void) memset(buf, 0, n)

ngx_free ：

#define ngx_free          free

ngx_memalign：

#define ngx_memalign(alignment, size, log)  ngx_alloc(size, log)

这里alignment主要是针对部分unix平台需要动态的对齐，对POSIX 1003.1d提供的posix_memalign( )进行封装，在大多数情况下，编译器和C库透明地帮你处理对齐问题。nginx中通过宏NGX_HAVE_POSIX_MEMALIGN来控制；

2.1、内存池创建（ngx_create_pool）

ngx_create_pool用于创建一个内存池，我们创建时，传入我们的初始大小：

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);//初始状态：last指向ngx_pool_t结构体之后数据取起始位置
    p->d.end = (u_char *) p + size;//end指向分配的整个size大小的内存的末尾
    p->d.next = NULL;
    p->d.failed = 0;
    //#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL  (ngx_pagesize - 1)
    //内存池最大不超过4095，x86中页的大小为4K
    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;
}

nginx对内存的管理分为大内存与小内存，当某一个申请的内存大于某一个值时，就需要从大内存中分配空间，否则从小内存中分配空间。
nginx中的内存池是在创建的时候就设定好了大小，在以后分配小块内存的时候，如果内存不够，则是重新创建一块内存串到内存池中，而不是将原有的内存池进行扩张。当要分配大块内存是，则是在内存池外面再分配空间进行管理的，称为大块内存池。

2.2、内存申请

ngx_palloc

void *
ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
    u_char      *m;
    ngx_pool_t  *p;

    if (size <= pool->max) {//如果申请的内存大小大于内存池的max值，则走另一条路，申请大内存

        p = pool->current;

        do {
            m = ngx_align_ptr(p->d.last, NGX_ALIGNMENT);//对内存地址进行对齐处理

            if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {//如果在当前内存块有效范围内，进行内存指针的移动
                p->d.last = m + size;

                return m;
            }

            p = p->d.next;//如果当前内存块有效容量不够分配，则移动到下一个内存块进行分配

        } while (p);

        return ngx_palloc_block(pool, size);
    }

    return ngx_palloc_large(pool, size);
}

这里需要说明的几点：

1、ngx_align_ptr，这是一个用来内存地址取整的宏，非常精巧，一句话就搞定了。作用不言而喻，取整可以降低CPU读取内存的次数，提高性能。因为这里并没有真正意义调用malloc等函数申请内存，而是移动指针标记而已，所以内存对齐的活，C编译器帮不了你了，得自己动手。

#define ngx_align_ptr(p, a)                                                   \
    (u_char *) (((uintptr_t) (p) + ((uintptr_t) a - 1)) & ~((uintptr_t) a - 1))

2、ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)

这个函数是用来分配新的内存块，为pool内存池开辟一个新的内存块，并申请使用size大小的内存；

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

    psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);//计算内存池第一个内存块的大小

    m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);//分配和第一个内存块同样大小的内存块
    if (m == NULL) {
        return NULL;
    }

    new = (ngx_pool_t *) m;

    new->d.end = m + psize;//设置新内存块的end
    new->d.next = NULL;
    new->d.failed = 0;

    m += sizeof(ngx_pool_data_t);//将指针m移动到d后面的一个位置，作为起始位置
    m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);//对m指针按4字节对齐处理
    new->d.last = m + size;//设置新内存块的last，即申请使用size大小的内存

    current = pool->current;
    //这里的循环用来找最后一个链表节点，这里failed用来控制循环的长度，如果分配失败次数达到5次，
     //就忽略，不需要每次都从头找起
    for (p = current; p->d.next; p = p->d.next) {
        if (p->d.failed++ > 4) {
            current = p->d.next;
        }
    }

    p->d.next = new;

    pool->current = current ? current : new;

    return m;
}

3、ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)

在ngx_palloc中首先会判断申请的内存大小是否超过内存块的最大限值，如果超过，则直接调用ngx_palloc_large，进入大内存块的分配流程；

static void *
ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
    void              *p;
    ngx_uint_t         n;
    ngx_pool_large_t  *large;
    // 直接在系统堆中分配一块空间
    p = ngx_alloc(size, pool->log);
    if (p == NULL) {
        return NULL;
    }

    n = 0;
    // 查找到一个空的large区，如果有，则将刚才分配的空间交由它管理
    for (large = pool->large; large; large = large->next) {
        if (large->alloc == NULL) {
            large->alloc = p;
            return p;
        }

        if (n++ > 3) {
            break;
        }
    }
    //为了提高效率， 如果在三次内没有找到空的large结构体，则创建一个
    large = ngx_palloc(pool, sizeof(ngx_pool_large_t));
    if (large == NULL) {
        ngx_free(p);
        return NULL;
    }

    large->alloc = p;
    large->next = pool->large;
    pool->large = large;

    return p;
}

2.3、内存池重置

ngx_reset_pool

void
ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool)
{
    ngx_pool_t        *p;
    ngx_pool_large_t  *l;
    //释放所有大块内存
    for (l = pool->large; l; l = l->next) {
        if (l->alloc) {
            ngx_free(l->alloc);
        }
    }

    pool->large = NULL;
    // 重置所有小块内存区
    for (p = pool; p; p = p->d.next) {
        p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
    }
}

2.4、内存池清理

ngx_pfree

ngx_int_t
ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
{
    ngx_pool_large_t  *l;
    //只检查是否是大内存块，如果是大内存块则释放
    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;
}

所以说Nginx内存池中大内存块和小内存块的分配与释放是不一样的。我们在使用内存池时，可以使用ngx_palloc进行分配，使用ngx_pfree释放。而对于大内存，这样做是没有问题的，而对于小内存就不一样了，分配的小内存，不会进行释放。因为大内存块的分配只对前3个内存块进行检查，否则就直接分配内存，所以大内存块的释放必须及时。

ngx_pool_cleanup_s

Nginx内存池支持通过回调函数，对外部资源的清理。ngx_pool_cleanup_t是回调函数结构体，它在内存池中以链表形式保存，在内存池进行销毁时，循环调用这些回调函数对数据进行清理。

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

其中

handler：是回调函数指针；

data：回调时，将此数据传入回调函数；

next：//指向下一个回调函数结构体；

如果我们需要添加自己的回调函数，则需要调用ngx_pool_cleanup_add来得到一个ngx_pool_cleanup_t，然后设置handler为我们的清理函数，并设置data为我们要清理的数据。这样在ngx_destroy_pool中会循环调用handler清理数据；

比如：我们可以将一个开打的文件描述符作为资源挂载到内存池上，同时提供一个关闭文件描述的函数注册到handler上，那么内存池在释放的时候，就会调用我们提供的关闭文件函数来处理文件描述符资源了。

2.5、内存池销毁

ngx_destroy_pool

ngx_destroy_pool这个函数用于销毁一个内存池：

void
ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)
{
    ngx_pool_t          *p, *n;
    ngx_pool_large_t    *l;
    ngx_pool_cleanup_t  *c;

    //首先调用所有的数据清理函数
    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);
        }
    }

    //释放所有的大块内存
    for (l = pool->large; l; l = l->next) {

        ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0, "free: %p", l->alloc);

        if (l->alloc) {
            ngx_free(l->alloc);
        }
    }

    //最后释放所有内存池中的内存块
    for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
        ngx_free(p);

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