内存池的实现（2）

《内存池的实现（1）》中，介绍了使用内存池的原因，设计内存池应该考虑的问题，最后给出一个简单的内存池实现例子。使用上一篇文章中介绍的内存池实现方案，要在一定的限定条件下，下面我们来看更通用的内存池实现——Apache服务器的内存池实现。

Apache服务器的开发人员将代码中可移植的部分整理出来，编辑成Apache可移植运行库（Apacheportable Run-timelibraries)，简称APR，该库可从这里下载，其中包含这里要介绍的内存池的实现代码。下面将Apache服务器内存池简称为APR内存池。

APR内存池结构

1.内存分配结点

在了解整个内存池架构前，我们先来了解APR内存池中最基本的单元——内存分配结点。内存分配结点被用来描述每次分配的内存块，对应的结构名为apr_memnode_t，定义在文件apr_allocator.h中，其定义如下：

/* basic memory nodestructure*/

struct apr_memnode_t {

    apr_memnode_t*next;            /**< next memnode */

    apr_memnode_t**ref;             /**< reference to self */

    apr_uint32_t  index;               /**< size */

    apr_uint32_t  free_index;       /**< how much free */

    char         *first_avail;            /**< pointer to first free memory */

    char         *endp;                  /**< pointer to end of free memory */
};

即使结构中的每个字段，源文件中都给出了注释，但对于每个字段的用途，还是很难让人理解。这里先给出每个字段的简略解析：

next：指向下一个结点的指针；

ref：指向上一结点的next结点，上一结点的next指向本结点，因此**ref就是本结点自身；

index：既指示了该结点的大小，同时指示了该结点所在链表的索引下标值；

free_index：所描述的内存块中未被占用的空间（这里和上面的index和它们字面意思有出入，理解的时候要留意）；

first_avail：指向可用空间开始位置的指针；

endp：指向可用空间结尾位置的指针。

该结点示意图如下：

2.内存分配器

在ARP内存池中，使用内存分配器对内存分配结点进行管理，它在apr_pools.c中定义如下：

struct apr_allocator_t {

    apr_uint32_t       max_index;

    apr_uint32_t       max_free_index;

    apr_uint32_t       current_free_index;

    apr_pool_t        *owner;

    apr_memnode_t     *free[MAX_INDEX];
};

max_index：free指针数组的下标，free[max_index]指向已有的最大内存块链表；

max_free_index：内存分配器所能容纳的最大内存空间数值；

current_free_index：内存分配器中还能接收的空间大小，与max_free_index结合使用，解决限制内存池空间大小的问题；

owner：指示该分配器属于哪个内存池；

free：指向一组链表的头结点，该链表中每个结点指向内存结点组成的链表，MAX_INDEX为20。

内存分配器及其管理的内存结点图示如下：

从上图我们可以清晰地看出，free数组的下标从1到MAX_INDEX-1，分别指向一条结点大小固定的链表，下标增加1，结点的大小增加4k，因此free[MAX_INDEX]所指向的链表的结点大小为84k，这也是内存池使用者所能申请的最大”规则结点“，超过该大小的结点将下标0指向的链表进行管理。要明白free数组下标和结点大小的关系，我们需要知道宏定义APR_ALIGN：

                #defineAPR_ALIGN(size, boundary) \

                           (((size)+ ((boundary) - 1)) &~((boundary) - 1))

该宏所做的无非就是计算出最接近size的boundary的整数倍的整数。通常情况下size大小为整数即可，而boundary则必须保证为2的倍数。比如APR_ALIGN(7,4)为8；APR_ALIGN(21,8)为24；APR_ALIGN(21,16)则为32。

对于每次空间申请，APR先对齐空间大小：

size = APR_ALIGN(size +APR_MEMNODE_T_SIZE, 4096);

结果是size的值变成4096（4k，2的12次方）的倍数，最后，通过左移与我们的下标对应起来：

  index= (size >>BOUNDARY_INDEX) - 1; //BOUNDARY_INDEX=12

3.内存池结点

APR的内存池结点，在apr_pools.c文件中定义如下：

struct apr_pool_t {

……

apr_allocator_t      *allocator;

apr_memnode_t   *active;

……

};

该结构中的字段比较多，我们主要关注以上列出的两个字段。

allocator：指向相应的内存分配器；

active：指向使用中内存链表的指针

内存池结点及其管理的内存结点如下图所示：

需要留意的是虽然该结构字面意义上为“内存池结构”，但是它负责管理使用中的内存。

APR内存池的内存管理

对APR内存池各个结构有了初步了解之后，我们来看APR中是如何利用这些结构进行内存管理的。

1.内存申请

内存申请的核心函数是allocator_alloc函数，参数为一个指向内存分配器的指针和所要申请空间的大小，内存分配就是对内存分配器进行操作（以下列出的字段参见“内存分配器”章节），其内存申请的策略如下：

1.根据申请空间的大小size，生成索引index，如果索引数值在1～max_index范围内，那就在index~max_index范围内的链表中返回一块内存；

2.如果索引数值index >max_index，则在free[0]链表中查找一块合适的内存；

3.经上两步仍未找到空闲内存块，则通过malloc(size)返回一块新生成的内存。

2.内存释放

在内存申请中提到，假如内存分配器中没有合适的内存块，将会调用malloc获取一块，但是新分配的内存并不挂接到内存分配器链表中，而是在调用allocator_free进行内存释放的时候，内存才可能挂到内存分配器链表上。内存释放策略如下：

1.如果结点的大小超过了完全释放的阙值max_free_index，那么我们就不能将其简单的归还到索引链表中，而必须将其完全归还给操作系统；

2.如果index< MAX_INDEX，则意味着该结点属于“规则结点”的范围。因此可以将该结点返回到对应的“规则链表”中；

3.如果结点超过了“规则结点”的范围，但是并没有超过阙值max_free_index，此时我们则可以将其置于“索引0”链表的首部中。

3.内存池结点管理的内存

刚开始，由内存分配器管理的链表并没有挂接任何内存，也就是说内存池是空的，当我们申请内存时，必然进行“内存申请”中的第三步操作，新分配的内存就由我们的内存池结点进行管理。

先来看用于内存池结点管理的一个宏定义：

/* Node list managementhelper macros; list_insert() inserts 'node'

 * before 'point'. */

#define list_insert(node,point) do {          \

    node->ref= point->ref;                    \

    *node->ref= node;                         \

    node->next= point;                        \

    point->ref= &node->next;                  \

} while (0)

在内存池结点初次建立时，链表状态如下图：

再次申请一个结点，运行list_insert(node,point)后，结果如下图：

我们可以通过allocator_free调用或apr_pool_clear、apr_pool_destroy调用（它们内部调用allocator_free）进行内存池结点的释放，所释放的内存将按照“内存释放”中的策略归还内存池或操作系统。

小结

free数组下标的双重含义（即是数组下标，又指示内存块大小）、通过阙值max_free_index限制内存池大小，这些都较难理解，但也是是APR内存池实现中出彩的部分，另外，APR内存池还涉及到父/子/兄弟内存池、内存池生命周期的概念，同学们可以通过文章末尾给出的参考文档，进行更深入地学习。

Reference：《Apache内存池内幕》