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Nginx内存管理

php中文网

php中文网

发布时间：2016-07-30 13:31:32

|

1417人浏览过

|

来源于php中文网

原创

1.源代码位置

头文件：http://trac.nginx.org/nginx/browser/nginx/src/core/ngx_palloc.h

源文件：http://trac.nginx.org/nginx/browser/nginx/src/core/ngx_palloc.c

2.数据结构定义

先来学习一下nginx内存池的几个主要数据结构：

    ngx_pool_data_t（内存池数据块结构）

<span>   1:</span><span>typedef</span> <span>struct</span> {
<span>   2:</span>     u_char               *last;        
<span>   3:</span>     u_char               *end;
<span>   4:</span>     ngx_pool_t           *next;
<span>   5:</span>     ngx_uint_t            failed;
<span>   6:</span> } ngx_pool_data_t;
  • 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（内存池头部结构）

<span>   1:</span><span>struct</span> ngx_pool_s {
<span>   2:</span>     ngx_pool_data_t       d;
<span>   3:</span>     size_t                max;
<span>   4:</span>     ngx_pool_t           *current;
<span>   5:</span>     ngx_chain_t          *chain;
<span>   6:</span>     ngx_pool_large_t     *large;
<span>   7:</span>     ngx_pool_cleanup_t   *cleanup;
<span>   8:</span>     ngx_log_t            *log;
<span>   9:</span> };
  • 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

由ngx_pool_data_t和ngx_pool_t组成的nginx内存池结构如下图所示：

Nginx内存管理

3.相关函数介绍

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:

ngx_alloc：（只是对malloc进行了简单的封装）

<span>   1:</span><span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_alloc(size_t size, ngx_log_t *log)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     <span>void</span>  *p;
<span>   5:</span>  
<span>   6:</span>     p = malloc(size);
<span>   7:</span>     <span>if</span> (p == NULL) {
<span>   8:</span>         ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, ngx_errno,
<span>   9:</span>                       <span>"malloc(%uz) failed"</span>, size);
<span>  10:</span>     }
<span>  11:</span>  
<span>  12:</span>     ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0, <span>"malloc: %p:%uz"</span>, p, size);
<span>  13:</span>  
<span>  14:</span>     <span>return</span> p;
<span>  15:</span> }

ngx_calloc：（调用malloc并初始化为0）

<span>   1:</span><span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_calloc(size_t size, ngx_log_t *log)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     <span>void</span>  *p;
<span>   5:</span>  
<span>   6:</span>     p = ngx_alloc(size, log);
<span>   7:</span>  
<span>   8:</span>     <span>if</span> (p) {
<span>   9:</span>         ngx_memzero(p, size);
<span>  10:</span>     }
<span>  11:</span>  
<span>  12:</span>     <span>return</span> p;
<span>  13:</span> }

ngx_memzero：

<span>   1:</span> #define ngx_memzero(buf, n)       (<span>void</span>) memset(buf, 0, n)

ngx_free ：

<span>   1:</span> #define ngx_free          free

ngx_memalign：

<span>   1:</span><span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_memalign(size_t alignment, size_t size, ngx_log_t *log)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     <span>void</span>  *p;
<span>   5:</span>     <span>int</span>    err;
<span>   6:</span>  
<span>   7:</span>     err = posix_memalign(&p, alignment, size);
<span>   8:</span>  
<span>   9:</span>     <span>if</span> (err) {
<span>  10:</span>         ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, log, err,
<span>  11:</span>                       <span>"posix_memalign(%uz, %uz) failed"</span>, alignment, size);
<span>  12:</span>         p = NULL;
<span>  13:</span>     }
<span>  14:</span>  
<span>  15:</span>     ngx_log_debug3(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, log, 0,
<span>  16:</span>                    <span>"posix_memalign: %p:%uz @%uz"</span>, p, size, alignment);
<span>  17:</span>  
<span>  18:</span>     <span>return</span> p;
<span>  19:</span> }

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；调用posix_memalign( )成功时会返回size字节的动态内存，并且这块内存的地址是alignment的倍数。参数alignment必须是2的幂，还是void指针的大小的倍数。返回的内存块的地址放在了memptr里面，函数返回值是0.
 

4.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);

4.1 创建内存池ngx_create_pool

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

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<span>   1:</span> ngx_pool_t *
<span>   2:</span> ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     ngx_pool_t  *p;
<span>   5:</span>     
<span>   6:</span>     <span>//以16（NGX_POOL_ALIGNMENT）字节对齐分配size内存</span>
<span>   7:</span>     p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log);
<span>   8:</span>     <span>if</span> (p == NULL) {
<span>   9:</span>         <span>return</span> NULL;
<span>  10:</span>     }
<span>  11:</span>  
<span>  12:</span>     <span>//初始状态：last指向ngx_pool_t结构体之后数据取起始位置</span>
<span>  13:</span>     p->d.last = (u_char *) p &#43; <span>sizeof</span>(ngx_pool_t);
<span>  14:</span>     <span>//end指向分配的整个size大小的内存的末尾</span>
<span>  15:</span>     p->d.end = (u_char *) p &#43; size;
<span>  16:</span>     
<span>  17:</span>     p->d.next = NULL;
<span>  18:</span>     p->d.failed = 0;
<span>  19:</span>  
<span>  20:</span>     size = size - <span>sizeof</span>(ngx_pool_t);
<span>  21:</span>     <span>//#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</span>
<span>  22:</span>     p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
<span>  23:</span>  
<span>  24:</span>     p->current = p;
<span>  25:</span>     p->chain = NULL;
<span>  26:</span>     p->large = NULL;
<span>  27:</span>     p->cleanup = NULL;
<span>  28:</span>     p->log = log;
<span>  29:</span>  
<span>  30:</span>     <span>return</span> p;
<span>  31:</span> }

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。

 

4.2 内存申请 ngx_palloc

<span>   1:</span><span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     u_char      *m;
<span>   5:</span>     ngx_pool_t  *p;
<span>   6:</span>  
<span>   7:</span>     <span>//如果申请的内存大小小于内存池的max&#20540;</span>
<span>   8:</span>     <span>if</span> (size <= pool->max) {
<span>   9:</span>  
<span>  10:</span>         p = pool->current;
<span>  11:</span>  
<span>  12:</span>         <span>do</span> {
<span>  13:</span>             <span>//对内存地址进行对齐处理</span>
<span>  14:</span>             m = ngx_align_ptr(p->d.last, NGX_ALIGNMENT);
<span>  15:</span>  
<span>  16:</span>             <span>//如果当前内存块够分配内存，则直接分配</span>
<span>  17:</span>             <span>if</span> ((size_t) (p->d.end - m) >= size) 
<span>  18:</span>             {
<span>  19:</span>                 p->d.last = m &#43; size;
<span>  20:</span>  
<span>  21:</span>                 <span>return</span> m;
<span>  22:</span>             }
<span>  23:</span>             
<span>  24:</span>             <span>//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</span>
<span>  25:</span>             p = p->d.next;
<span>  26:</span>  
<span>  27:</span>         } <span>while</span> (p);
<span>  28:</span>  
<span>  29:</span>         <span>//当前所有内存块都没有空闲了，开辟一块新的内存，如下2详细解释</span>
<span>  30:</span>         <span>return</span> ngx_palloc_block(pool, size);
<span>  31:</span>     }
<span>  32:</span>  
<span>  33:</span>     <span>//分配大块内存</span>
<span>  34:</span>     <span>return</span> ngx_palloc_large(pool, size);
<span>  35:</span> }

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。

<span>   1:</span> #define ngx_align_ptr(p, a)                                                   \
<span>   2:</span>      (u_char *) (((uintptr_t) (p) &#43; ((uintptr_t) a - 1)) & ~((uintptr_t) a - 1))

2、开辟一个新的内存块 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；

<span>   1:</span><span>static</span> <span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     u_char      *m;
<span>   5:</span>     size_t       psize;
<span>   6:</span>     ngx_pool_t  *p, *<span>new</span>;
<span>   7:</span>  
<span>   8:</span>     <span>//计算内存池第一个内存块的大小</span>
<span>   9:</span>     psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);
<span>  10:</span>  
<span>  11:</span>     <span>//分配和第一个内存块同样大小的内存块</span>
<span>  12:</span>     m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
<span>  13:</span>     <span>if</span> (m == NULL) {
<span>  14:</span>         <span>return</span> NULL;
<span>  15:</span>     }
<span>  16:</span>  
<span>  17:</span>     <span>new</span> = (ngx_pool_t *) m;
<span>  18:</span>  
<span>  19:</span>     <span>//设置新内存块的end</span>
<span>  20:</span>     <span>new</span>->d.end = m &#43; psize;
<span>  21:</span>     <span>new</span>->d.next = NULL;
<span>  22:</span>     <span>new</span>->d.failed = 0;
<span>  23:</span>  
<span>  24:</span>     <span>//将指针m移动到d后面的一个位置，作为起始位置</span>
<span>  25:</span>     m &#43;= <span>sizeof</span>(ngx_pool_data_t);
<span>  26:</span>     <span>//对m指针按4字节对齐处理</span>
<span>  27:</span>     m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
<span>  28:</span>     <span>//设置新内存块的last，即申请使用size大小的内存</span>
<span>  29:</span>     <span>new</span>->d.last = m &#43; size;
<span>  30:</span>  
<span>  31:</span>     <span>//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</span>
<span>  32:</span>     <span>for</span> (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {
<span>  33:</span>         <span>if</span> (p->d.failed&#43;&#43; > 4) {
<span>  34:</span>             pool->current = p->d.next;
<span>  35:</span>         }
<span>  36:</span>     }
<span>  37:</span>  
<span>  38:</span>     p->d.next = <span>new</span>;
<span>  39:</span>  
<span>  40:</span>     <span>return</span> m;
<span>  41:</span> }

3、分配大块内存 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；

<span>   1:</span><span>static</span> <span>void</span> *
<span>   2:</span> ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     <span>void</span>              *p;
<span>   5:</span>     ngx_uint_t         n;
<span>   6:</span>     ngx_pool_large_t  *large;
<span>   7:</span>  
<span>   8:</span>     <span>// 直接在系统堆中分配一块大小为size的空间</span>
<span>   9:</span>     p = ngx_alloc(size, pool->log);
<span>  10:</span>     <span>if</span> (p == NULL) {
<span>  11:</span>         <span>return</span> NULL;
<span>  12:</span>     }
<span>  13:</span>  
<span>  14:</span>     n = 0;
<span>  15:</span>  
<span>  16:</span>     <span>// 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  </span>
<span>  17:</span>     <span>for</span> (large = pool->large; large; large = large->next) {
<span>  18:</span>         <span>if</span> (large->alloc == NULL) {
<span>  19:</span>             large->alloc = p;
<span>  20:</span>             <span>return</span> p;
<span>  21:</span>         }
<span>  22:</span>         <span>//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</span>
<span>  23:</span>         <span>if</span> (n&#43;&#43; > 3) {
<span>  24:</span>             <span>break</span>;
<span>  25:</span>         }
<span>  26:</span>     }
<span>  27:</span>  
<span>  28:</span>  
<span>  29:</span>     large = ngx_palloc(pool, <span>sizeof</span>(ngx_pool_large_t));
<span>  30:</span>     <span>if</span> (large == NULL) {
<span>  31:</span>         ngx_free(p);
<span>  32:</span>         <span>return</span> NULL;
<span>  33:</span>     }
<span>  34:</span>     
<span>  35:</span>     <span>//将large链接到内存池</span>
<span>  36:</span>     large->alloc = p;
<span>  37:</span>     large->next = pool->large;
<span>  38:</span>     pool->large = large;
<span>  39:</span>  
<span>  40:</span>     <span>return</span> p;
<span>  41:</span> }

整个内存池分配如下图：

Nginx内存管理

  • 4.3 内存池重置 ngx_reset_pool

<span>   1:</span><span>void</span>
<span>   2:</span> ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     ngx_pool_t        *p;
<span>   5:</span>     ngx_pool_large_t  *l;
<span>   6:</span>     
<span>   7:</span>     <span>//释放大块内存</span>
<span>   8:</span>     <span>for</span> (l = pool->large; l; l = l->next) {
<span>   9:</span>         <span>if</span> (l->alloc) {
<span>  10:</span>             ngx_free(l->alloc);
<span>  11:</span>         }
<span>  12:</span>     }
<span>  13:</span>     
<span>  14:</span>     <span>// 重置所有小块内存区</span>
<span>  15:</span>     <span>for</span> (p = pool; p; p = p->d.next) {
<span>  16:</span>         p->d.last = (u_char *) p &#43; <span>sizeof</span>(ngx_pool_t);
<span>  17:</span>         p->d.failed = 0;
<span>  18:</span>     }
<span>  19:</span>  
<span>  20:</span>     pool->current = pool;
<span>  21:</span>     pool->chain = NULL;
<span>  22:</span>     pool->large = NULL;
<span>  23:</span> }

4.4 内存池释放 ngx_pfree

<span>   1:</span> ngx_int_t
<span>   2:</span> ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, <span>void</span> *p)
<span>   3:</span> {
<span>   4:</span>     ngx_pool_large_t  *l;
<span>   5:</span>  
<span>   6:</span>     <span>//只检查是否是大内存块，如果是大内存块则释放</span>
<span>   7:</span>     <span>for</span> (l = pool->large; l; l = l->next) {
<span>   8:</span>         <span>if</span> (p == l->alloc) {
<span>   9:</span>             ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
<span>  10:</span>                            <span>"free: %p"</span>, l->alloc);
<span>  11:</span>             ngx_free(l->alloc);
<span>  12:</span>             l->alloc = NULL;
<span>  13:</span>  
<span>  14:</span>             <span>return</span> NGX_OK;
<span>  15:</span>         }
<span>  16:</span>     }
<span>  17:</span>

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