C / C ++の最も難しい部分はメモリの管理であると常に感じていました。これは、新規/削除やmalloc / freeだけではありません。コードの量が増えると、プログラム構造の複雑さが増します。さまざまな記憶の問題が静かに発生します。そしてプラットフォームとして、後のプラグイン拡張は避けられません。長期にわたる取得プラットフォームの特性により、安定性に対する高い要件が提起されています。c＃、java、メモリを管理する仮想マシンではなく、すべてが自分に依存します。したがって、nginx、python、luaなどのCの古典がメモリ管理をどのように処理するかを確認したいと思います。
最初にnginxを見てみましょう。インターネット上では、nginxのメモリプールの設計は非常にデリケートであると言われています。
1.基本構造
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）
typedef struct {
u_char *last;
u_char *end;
ngx_pool_t *next;
ngx_uint_t failed;
} ngx_pool_data_t;
ngx_pool_s（メモリプールヘッダー構造）
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;
};
ngx_pool_data_tとngx_pool_sは、基本的にnginxメモリプールの主な構造を構成していると言えます。次に、nginxメモリプールの主な構造について詳しく説明します。
上の図に示すように、nginxメモリプールは実際にはngx_pool_data_tとngx_pool_sで構成されるリンクリストです。
ngx_pool_data_t ：：
last：unsigned charタイプのポインタであり、現在のメモリプール割り当ての最後のアドレスを保存します。つまり、次の割り当てはここから始まります。
end：メモリプールの終了位置。
次へ：メモリプールには多くのメモリブロックがあります。これらのメモリブロックは、このポインタを介してリンクリストにリンクされ、次はメモリの次のブロックを指します。
failed：メモリプール割り当ての失敗の数。
ngx_pool_s
d：メモリプールのデータブロック。
max：メモリプール内のデータブロックの最大値。
current：現在のメモリプールを指します。
チェーン：ポインターはngx_chain_t構造にリンクされています。
large：大容量メモリリンクリスト。割り当てられたスペースが最大値を超えたときに使用されます。
クリーンアップ：メモリプールのコールバックを解放します
log：log information
上記は、メモリプールに関係する主なデータ構造です。できるだけ単純化するために、実際に使用するときに、関係する他のデータ構造を以下に紹介します。
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2.メモリプールの基本操作
メモリプールの主な外部メソッドは次のとおりです。
| メモリプールを作成する | ngx_pool_t * ngx_create_pool（size_tサイズ、ngx_log_t *ログ）; |
|---|---|
| メモリプールを破壊する | void ngx_destroy_pool（ngx_pool_t * pool）; |
| メモリプールをリセット | void ngx_reset_pool（ngx_pool_t * pool）; |
| メモリアプリケーション（アライメント） | void * ngx_palloc（ngx_pool_t * pool、size_t size）; |
| メモリアプリケーション（整列されていません） | void * ngx_pnalloc（ngx_pool_t * pool、size_t size）; |
| メモリクリア | ngx_int_t ngx_pfree（ngx_pool_t *プール、void * p）; |
注：
メモリプールメソッドを分析する前に、いくつかの主要なメモリ関連機能を紹介する必要があります。これ
はWin32の紹介のみです。
ngx_alloc :( mallocの単純なカプセル化）
```cpp
```cpp
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：（mallocを呼び出して0に初期化します）
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)
ここでの配置は、主に一部のunixプラットフォームの動的配置の必要性を目的としており、POSIX 1003.1dによって提供されるposix_memalign（）をカプセル化します。ほとんどの場合、コンパイラとCライブラリは、配置の問題に透過的に対処するのに役立ちます。マクロNGX_HAVE_POSIX_MEMALIGNを介してnginxで制御します。
2.1。メモリプールの作成（ngx_create_pool）
ngx_create_poolは、メモリプールを作成するために使用されます。作成するときに、初期サイズを渡します。
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のメモリ管理は、大メモリと小メモリに分けられます。要求された特定のメモリが特定の値より大きい場合は、大メモリからスペースを割り当てる必要があります。それ以外の場合は、小メモリからスペースを割り当てます。
nginxのメモリプールのサイズは、作成時に設定されます。後でメモリの小さなブロックが割り当てられたときに、メモリが十分でない場合は、元のメモリプールではなくメモリプールにメモリ文字列を再作成します。展開します。大きなメモリブロックを割り当てる場合は、大きなメモリプールと呼ばれるメモリプールの外部にスペースを再配分することによって管理されます。
2.2、メモリアプリケーション
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);
}
ここで注意すべき点：
1. ngx_align_ptr、これはメモリアドレスを丸めるために使用されるマクロです。これは非常にデリケートで、1文で実行できます。その効果は自明であり、丸めることでCPUがメモリを読み取る回数を減らし、パフォーマンスを向上させることができます。mallocやその他の関数を呼び出してメモリを適用することは実際には意味がありませんが、ポインタマークを移動するだけなので、Cコンパイラは役に立ちません。自分で行う必要があります。
#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）
この関数は、新しいメモリブロックを割り当て、プールメモリプール用に新しいメモリブロックを開き、サイズメモリの使用を申請するために使用されます。
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）
は、最初に、要求されたメモリサイズがngx_pallocのメモリブロックの最大制限を超えているかどうかを判断します。超えている場合は、ngx_palloc_largeを直接呼び出して、ラージメモリブロックの割り当てプロセスに入ります。
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、メモリプールのリセット
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、メモリプールのクリーニング
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;
}
したがって、Nginxメモリプール内の大きなメモリブロックと小さなメモリブロックの割り当てと解放は異なります。メモリプールを使用する場合、割り当てにngx_pallocを使用し、解放にngx_pfreeを使用できます。大きなメモリの場合、これは問題ありませんが、小さなメモリの場合、割り当てられた小さなメモリは解放されません。ラージメモリブロックの割り当てでは最初の3つのメモリブロックのみがチェックされるため、それ以外の場合はメモリが直接割り当てられるため、ラージメモリブロックの解放はタイムリーである必要があります。
ngx_pool_cleanup_s
Nginxメモリプールは、コールバック関数による外部リソースのクリーニングをサポートします。ngx_pool_cleanup_tは、リンクリストとしてメモリプールに格納されるコールバック関数構造です。メモリプールが破棄されると、これらのコールバック関数が周期的に呼び出され、データがクリーンアップされます。
struct ngx_pool_cleanup_s {
ngx_pool_cleanup_pt handler;
void *data;
ngx_pool_cleanup_t *next;
};
その中で
ハンドラー：コールバック関数ポインターです。
data：コールバックするとき、このデータをコールバック関数に渡します。
next：//次のコールバック関数構造をポイントします。
独自のコールバック関数を追加する必要がある場合は、ngx_pool_cleanup_addを呼び出してngx_pool_cleanup_tを取得し、ハンドラーをクリーンアップ関数として設定し、データをクリーンアップするデータとして設定する必要があります。このようにして、ハンドラーは周期的に呼び出され、ngx_destroy_pool内のデータをクリーンアップします。
例：開いているファイル記述子をリソースとしてメモリプールにマウントし、ファイルの説明を閉じてハンドラーに登録する関数を提供すると、メモリプールが解放されると、提供するファイルを閉じる関数が呼び出されます。ファイル記述子リソースを処理します。
2.5、メモリプールの破壊
ngx_destroy_pool
ngx_destroy_pool関数は、メモリプールを破棄するために使用されます。
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;
}
}
}