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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