Memcached内存管理slabclass

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温馨提示：本文用到了一些可以在启动memcached设置的全局变量。关于这些全局变量的含义可以参考《memcached启动参数详解》。对于这些全局变量，处理方式就像《如何阅读memcached源代码》所说的那样直接取其默认值。

slab内存池分配

slab简介：

    memcached使用了一个叫slab的内存分配方法，有关slab的介绍可以参考链接1和链接2。可以简单地把它看作内存池。memcached内存池分配的内存块大小是固定的。虽然是固定大小，但memcached的能分配的内存大小(尺寸)也是有很多种规格的。一般来说，是满足需求的。    memcached声明了一个slabclass_t结构体类型，并且定义了一个slabclass_t类型数组slabclass(是一个全局变量)。可以把数组的每一个元素称为一个slab分配器。一个slab分配器能分配的内存大小是固定的，不同的slab分配的内存大小是不同的。下面借一幅经典的图来说明：    从每个slab class(slab分配器)分配出去的内存块都会用指针连接起来的(连起来才不会丢失啊)。如下图所示：    上图是一个逻辑图。每一个item都不大，从几B到1M。如果每一个item都是地动态调用malloc申请的，势必会造成很多内存碎片。所以memcached的做法是，先申请一个比较大的一块内存，然后把这块内存划分成一个个的item，并用两个指针(prev和next)把这些item连接起来。所以实际的物理图如下所示：    上图中，每一个slabclass_t都有一个slab数组。同一个slabclass_t的多个slab分配的内存大小是相同的，不同的slabclass_t分配的内存大小是不同的。因为每一个slab分配器能分配出去的总内存都是有一个上限的，所以对于一个slabclass_t来说，要想分配很多内存就必须有多个slab分配器。

确定slab分配器的分配规格：

    看完了图，现在来看一下memcached是怎么确定slab分配器的分配规格的。因为memcached使用了全局变量，先来看一下全局变量。

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//slabs.c文件  typedef struct {      unsigned int size;//slab分配器分配的item的大小         unsigned int perslab; //每一个slab分配器能分配多少个item      void *slots;  //指向空闲item链表      unsigned int sl_curr;   //空闲item的个数      //这个是已经分配了内存的slabs个数。list_size是这个slabs数组(slab_list)的大小        unsigned int slabs; //本slabclass_t可用的slab分配器个数         //slab数组，数组的每一个元素就是一个slab分配器，这些分配器都分配相同尺寸的内存      void **slab_list;         unsigned int list_size; //slab数组的大小, list_size >= slabs      //用于reassign，指明slabclass_t中的哪个块内存要被其他slabclass_t使用      unsigned int killing;       size_t requested; //本slabclass_t分配出去的字节数  } slabclass_t;  #define POWER_SMALLEST 1  #define POWER_LARGEST  200  #define CHUNK_ALIGN_BYTES 8  #define MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES (POWER_LARGEST + 1)  //数组元素虽然有MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES个，但实际上并不是全部都使用的。  //实际使用的元素个数由power_largest指明  static slabclass_t slabclass[MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES];//201  static int power_largest;//slabclass数组中,已经使用了的元素个数.      可以看到，上面的代码定义了一个全局slabclass数组。这个数组就是前面那些图的slabclass_t数组。虽然slabclass数组有201个元素，但可能并不会所有元素都使用的。由全局变量power_largest指明使用了多少个元素.下面看一下slabs_init函数，该函数对这个数组进行一些初始化操作。该函数会在main函数中被调用。

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//slabs.c文件  static size_t mem_limit = 0;//用户设置的内存最大限制  static size_t mem_malloced = 0;  //如果程序要求预先分配内存，而不是到了需要的时候才分配内存，那么  //mem_base就指向那块预先分配的内存.  //mem_current指向还可以使用的内存的开始位置  //mem_avail指明还有多少内存是可以使用的  static void *mem_base = NULL;  static void *mem_current = NULL;  static size_t mem_avail = 0;  //参数factor是扩容因子，默认值是1.25  void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) {      int i = POWER_SMALLEST - 1;      //settings.chunk_size默认值为48，可以在启动memcached的时候通过-n选项设置      //size由两部分组成: item结构体本身 和 这个item对应的数据      //这里的数据也就是set、add命令中的那个数据.后面的循环可以看到这个size变量会      //根据扩容因子factor慢慢扩大，所以能存储的数据长度也会变大的      unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;      mem_limit = limit;//用户设置或者默认的内存最大限制      //用户要求预分配一大块的内存，以后需要内存，就向这块内存申请。      if (prealloc) {//默认值为false          mem_base = malloc(mem_limit);          if (mem_base != NULL) {              mem_current = mem_base;              mem_avail = mem_limit;          } else {              fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"                      " one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");          }      }      //初始化数组，这个操作很重要，数组中所有元素的成员变量值都为0了      memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));      //slabclass数组中的第一个元素并不使用      //settings.item_size_max是memcached支持的最大item尺寸，默认为1M(也就是网上      //所说的memcached存储的数据最大为1MB)。      while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {          /* Make sure items are always n-byte aligned */          if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)//8字节对齐              size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);          //这个slabclass的slab分配器能分配的item大小          slabclass[i].size = size;          //这个slabclass的slab分配器最多能分配多少个item(也决定了最多分配多少内存)          slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;          size *= factor;//扩容      }      //最大的item      power_largest = i;      slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;      slabclass[power_largest].perslab = 1;      ...      if (prealloc) {//预分配内存          slabs_preallocate(power_largest);      }  }      上面代码中出现的item是用来存储我们放在memcached的数据。代码中的循环决定了slabclass数组中的每一个slabclass_t能分配的item大小，也就是slab分配器能分配的item大小，同时也确定了slab分配器能分配的item个数。    上面的代码还可以看到，可以通过增大settings.item_size_max而使得memcached可以存储更大的一条数据信息。当然是有限制的，最大也只能为128MB。巧的是，slab分配器能分配的最大内存也是受这个settings.item_size_max所限制。因为每一个slab分配器能分配的最大内存有上限，所以slabclass数组中的每一个slabclass_t都有多个slab分配器，其用一个数组管理这些slab分配器。而这个数组大小是不受限制的，所以对于某个特定的尺寸的item是可以有很多很多的。当然整个memcached能分配的总内存大小也是有限制的，可以在启动memcached的时候通过-m选项设置，默认值为64MB。slabs_init函数中的limit参数就是memcached能分配的总内存。

预分配内存：

    现在就假设用户需要预先分配一些内存，而不是等到客户端发送存储数据命令的时候才分配内存。slabs_preallocate函数是为slabclass数组中每一个slabclass_t元素预先分配一些空闲的item。由于item可能比较小(上面的代码也可以看到这一点)，所以不能以item为单位申请内存（这样很容易造成内存碎片）。于是在申请的使用就申请一个比较大的一块内存，然后把这块内存划分成一个个的item，这样就等于申请了多个item。本文将申请得到的这块内存称为内存页，也就是申请了一个页。如果全局变量settings.slab_reassign为真，那么页的大小为settings.item_size_max，否则等于slabclass_t.size * slabclass_t.perslab。settings.slab_reassign主要用于平衡各个slabclass_t的。后文将统一使用内存页、页大小称呼这块分配内存，不区分其大小。    现在就假设用户需要预先分配内存，看一下slabs_preallocate函数。该函数的参数值为使用到的slabclass数组元素个数。slabs_preallocate函数的调用是分配slab内存块和和设置item的。

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//参数值为使用到的slabclass数组元素个数  //为slabclass数组的每一个元素(使用到的元素)分配内存  static void slabs_preallocate (const unsigned int maxslabs) {      int i;      unsigned int prealloc = 0;      //遍历slabclass数组      for (i = POWER_SMALLEST; i <= POWER_LARGEST; i++) {          if (++prealloc > maxslabs)//当然是只遍历使用了的数组元素              return;          if (do_slabs_newslab(i) == 0) {//为每一个slabclass_t分配一个内存页              //如果分配失败，将退出程序.因为这个预分配的内存是后面程序运行的基础              //如果这里分配失败了，后面的代码无从执行。所以就直接退出程序。              exit(1);          }      }  }  //slabclass_t中slab的数目是慢慢增多的。该函数的作用就是为slabclass_t申请多一个slab  //参数id指明是slabclass数组中的那个slabclass_t  static int do_slabs_newslab(const unsigned int id) {      slabclass_t *p = &slabclass[id];      //settings.slab_reassign的默认值为false，这里就采用false。      int len = settings.slab_reassign ? settings.item_size_max          : p->size * p->perslab;//其积 <= settings.item_size_max      char *ptr;      //mem_malloced的值通过环境变量设置，默认为0      if ((mem_limit && mem_malloced + len > mem_limit && p->slabs > 0) ||          (grow_slab_list(id) == 0) ||//增长slab_list(失败返回0)。一般都会成功,除非无法分配内存          ((ptr = memory_allocate((size_t)len)) == 0)) {//分配len字节内存(也就是一个页)          return 0;      }      memset(ptr, 0, (size_t)len);//清零内存块是必须的      //将这块内存切成一个个的item，当然item的大小有id所控制      split_slab_page_into_freelist(ptr, id);      //将分配得到的内存页交由slab_list掌管      p->slab_list[p->slabs++] = ptr;      mem_malloced += len;      return 1;  }      上面的do_slabs_newslab函数内部调用了三个函数。函数grow_slab_list的作用是增大slab数组的大小(如下图所示的slab数组)。memory_allocate函数则是负责申请大小为len字节的内存。而函数split_slab_page_into_freelist则负责把申请到的内存切分成多个item，并且把这些item用指向连起来，形成双向链表。如下图所示：前面已经见过这图了，看完代码再来看一下吧。    下面看一下那三个函数的具体实现。

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//增加slab_list成员指向的内存，也就是增大slab_list数组。使得可以有更多的slab分配器  //除非内存分配失败，否则都是返回1,无论是否真正增大了  static int grow_slab_list (const unsigned int id) {      slabclass_t *p = &slabclass[id];      if (p->slabs == p->list_size) {//用完了之前申请到的slab_list数组的所有元素          size_t new_size =  (p->list_size != 0) ? p->list_size * 2 : 16;          void *new_list = realloc(p->slab_list, new_size * sizeof(void *));          if (new_list == 0) return 0;          p->list_size = new_size;          p->slab_list = new_list;      }      return 1;  }  //申请分配内存，如果程序是有预分配内存块的，就向预分配内存块申请内存  //否则调用malloc分配内存  static void *memory_allocate(size_t size) {      void *ret;      //如果程序要求预先分配内存，而不是到了需要的时候才分配内存，那么      //mem_base就指向那块预先分配的内存.      //mem_current指向还可以使用的内存的开始位置      //mem_avail指明还有多少内存是可以使用的      if (mem_base == NULL) {//不是预分配内存          /* We are not using a preallocated large memory chunk */          ret = malloc(size);      } else {          ret = mem_current;          //在字节对齐中，最后几个用于对齐的字节本身就是没有意义的(没有被使用起来)          //所以这里是先计算size是否比可用的内存大，然后才计算对齐          if (size > mem_avail) {//没有足够的可用内存              return NULL;          }          //现在考虑对齐问题，如果对齐后size 比mem_avail大也是无所谓的          //因为最后几个用于对齐的字节不会真正使用          /* mem_current pointer _must_ be aligned!!! */          if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES) {//字节对齐.保证size是CHUNK_ALIGN_BYTES (8)的倍数              size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);          }          mem_current = ((char*)mem_current) + size;          if (size < mem_avail) {              mem_avail -= size;          } else {//此时，size比mem_avail大也无所谓              mem_avail = 0;          }      }      return ret;  }  //将ptr指向的内存页划分成一个个的item  static void split_slab_page_into_freelist(char *ptr, const unsigned int id) {      slabclass_t *p = &slabclass[id];      int x;      for (x = 0; x < p->perslab; x++) {          //将ptr指向的内存划分成一个个的item.一共划成perslab个          //并将这些item前后连起来。          //do_slabs_free函数本来是worker线程向内存池归还内存时调用的。但在这里          //新申请的内存也可以当作是向内存池归还内存。把内存注入内存池中          do_slabs_free(ptr, 0, id);          ptr += p->size;//size是item的大小      }  }  static void do_slabs_free(void *ptr, const size_t size, unsigned int id) {      slabclass_t *p;      item *it;      assert(((item *)ptr)->slabs_clsid == 0);      assert(id >= POWER_SMALLEST && id <= power_largest);      if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest)          return;      p = &slabclass[id];      it = (item *)ptr;      //为item的it_flags添加ITEM_SLABBED属性，标明这个item是在slab中没有被分配出去      it->it_flags |= ITEM_SLABBED;      //由split_slab_page_into_freelist调用时，下面4行的作用是      //让这些item的prev和next相互指向，把这些item连起来.      //当本函数是在worker线程向内存池归还内存时调用，那么下面4行的作用是,      //使用链表头插法把该item插入到空闲item链表中。      it->prev = 0;      it->next = p->slots;      if (it->next) it->next->prev = it;      p->slots = it;//slot变量指向第一个空闲可以使用的item      p->sl_curr++;//空闲可以使用的item数量      p->requested -= size;//减少这个slabclass_t分配出去的字节数      return;  }      在do_slabs_free函数的注释说到，在worker线程向内存池归还内存时，该函数也是会被调用的。因为同一slab内存块中的各个item归还时间不同，所以memcached运行一段时间后，item链表就会变得很混乱，不会像上面那个图那样。有可能如下图那样：    虽然混乱，但肯定还是会有前面那张逻辑图那样的清晰链表图，其中slots变量指向第一个空闲的item。

向内存池申请内存：

    与do_slabs_free函数对应的是do_slabs_alloc函数。当worker线程向内存池申请内存时就会调用该函数。在调用之前就要根据所申请的内存大小，确定好要向slabclass数组的哪个元素申请内存了。函数slabs_clsid就是完成这个任务。

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unsigned int slabs_clsid(const size_t size) {//返回slabclass索引下标值      int res = POWER_SMALLEST;//res的初始值为1      //返回0表示查找失败，因为slabclass数组中，第一个元素是没有使用的      if (size == 0)          return 0;      //因为slabclass数组中各个元素能分配的item大小是升序的      //所以从小到大直接判断即可在数组找到最小但又能满足的元素      while (size > slabclass[res].size)          if (res++ == power_largest)     /* won't fit in the biggest slab */              return 0;      return res;  }      在do_slabs_alloc函数中如果对应的slabclass_t有空闲的item，那么就直接将之分配出去。否则就需要扩充slab得到一些空闲的item然后分配出去。代码如下面所示：

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//向slabclass申请一个item。在调用该函数之前，已经调用slabs_clsid函数确定  //本次申请是向哪个slabclass_t申请item了，参数id就是指明是向哪个slabclass_t  //申请item。如果该slabclass_t是有空闲item，那么就从空闲的item队列中分配一个  //如果没有空闲item，那么就申请一个内存页。再从新申请的页中分配一个item  //返回值为得到的item，如果没有内存了，返回NULL  static void *do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) {      slabclass_t *p;      void *ret = NULL;      item *it = NULL;      if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {//下标越界          MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);          return NULL;      }      p = &slabclass[id];      assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots)->slabs_clsid == 0);      //如果p->sl_curr等于0，就说明该slabclass_t没有空闲的item了。      //此时需要调用do_slabs_newslab申请一个内存页      if (! (p->sl_curr != 0 || do_slabs_newslab(id) != 0)) {          //当p->sl_curr等于0并且do_slabs_newslab的返回值等于0时，进入这里          /* We don't have more memory available */          ret = NULL;      } else if (p->sl_curr != 0) {      //除非do_slabs_newslab调用失败，否则都会来到这里.无论一开始sl_curr是否为0。