细说MySQL 之MEM_ROOT

    这篇文章会详细解说MySQL中使用非常广泛的MEM_ROOT的结构体，同时省去debug部分的信息，仅分析正常情况下，mysql中使用MEM_ROOT来做内存分配的部分。

  在具体分析之前我们先例举在该结构体使用过程中用到的一些宏:

#define MALLOC_OVERHEAD 8 //分配过程中，需要保留一部分额外的空间
#define ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP 4096 //后续会继续分析该宏的用途
#define ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP 10 //后续会继续分析该宏的用途

#define ALIGN_SIZE(A) MY_ALIGN((A),sizeof(double))
#define MY_ALIGN(A,L) (((A) + (L) - 1) & ~((L) - 1))

#define ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE (MALLOC_OVERHEAD + sizeof(USED_MEM) + 8)
/* Define some useful general macros (should be done after all headers). */
#define MY_MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) //求两个数值之间的最大值
#define MY_MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b)) //求两个数值之间的最小值

  
下面再来看看MEM_ROOT结构体相关的信息:

typedef struct st_mem_root
{
USED_MEM *free; //free block link list的链表头指针
USED_MEM *used;//used block link list的链表头指针
USED_MEM *pre_alloc; //预先分配的block
size_t min_malloc; //如果block剩下的可用空间小于该值，将会从free list移动到used list
size_t block_size; //每次初始化的空间大小
unsigned int block_num; //记录实际的block数量,初始化为4
unsigned int first_block_usage; //free list中的第一个block 测试不满足分配空间大小的次数
void (*error_handler)(void);//分配失败的错误处理函数
} MEM_ROOT;

 以下是分配具体的block信息.

typedef struct st_used_mem
{
struct st_used_mem *next; //指向下一个分配的block
unsigned int left; //该block剩余的空间大小
unsigned int size; //该block的总大小
} USED_MEM;

 其实MEM_ROOT在分配过程中，是通过双向链表来管理used和free的block:
  

 MEM_ROOT的初始化过程如下:

void init_alloc_root(MEM_ROOT *mem_root, size_t block_size,size_t pre_alloc_size __attribute__((unused)))
{
mem_root->free= mem_root->used= mem_root->pre_alloc= 0;
mem_root->min_malloc= 32;
mem_root->block_size= block_size - ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE;
mem_root->error_handler= 0;
mem_root->block_num= 4; /* We shift this with >>2 */
mem_root->first_block_usage= 0;
}

初始化过程中，block_size空间为block_size-ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE。因为在内存不够，需要

扩容时，是通过mem_root->block_num >>2 * block_size 来扩容的，所以mem_root->block_num >>2 至少为1

，因此在初始化的过程中mem_root->block_num=4(注:4>>2=1)。

下面来看看具体分配内存的步骤:

void *alloc_root(MEM_ROOT *mem_root, size_t length)
{
size_t get_size, block_size;
uchar* point;
reg1 USED_MEM *next= 0;
reg2 USED_MEM **prev;

length= ALIGN_SIZE(length);
if ((*(prev= &mem_root->free)) != NULL)
{
if ((*prev)->left < length &&
mem_root->first_block_usage++ >= ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP &&
(*prev)->left < ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP)
{
next= *prev;
*prev= next->next; /* Remove block from list */
next->next= mem_root->used;
mem_root->used= next;
mem_root->first_block_usage= 0;
}
for (next= *prev ; next && next->left < length ; next= next->next)
prev= &next->next;
}
if (! next)
{ /* Time to alloc new block */
block_size= mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2);
get_size= length+ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM));
get_size= MY_MAX(get_size, block_size);

if (!(next = (USED_MEM*) my_malloc(get_size,MYF(MY_WME | ME_FATALERROR))))
{
if (mem_root->error_handler)
(*mem_root->error_handler)();
DBUG_RETURN((void*) 0); /* purecov: inspected */
}
mem_root->block_num++;
next->next= *prev;
next->size= get_size;
next->left= get_size-ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM)); //bug:如果该block是通过mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)计算出来的，则已经去掉了ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM)，这里重复了。
*prev=next;
}

point= (uchar*) ((char*) next+ (next->size-next->left));
/*TODO: next part may be unneded due to mem_root->first_block_usage counter*/
if ((next->left-= length) < mem_root->min_malloc)
{ /* Full block */
*prev= next->next; /* Remove block from list */
next->next= mem_root->used;
mem_root->used= next;
mem_root->first_block_usage= 0;
}
}

上述代码的具体逻辑如下:

1.查看free链表，寻找满足空间的block。如果找到了合适的block,则：

   1.1 直接返回该block从size-left处的初始地址即可。当然，在free list遍历的过程中，会去判断free list

         中第一个block中left的空间不满足需要分配的空间，且该block中已经查找过了10次   

         (ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP)都不满足分配长度，且该block剩余空间小于  

         4k(ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP),则将该block 移动到used链表中。

2.如果free链表中，没有合适的block，则：

   2.1 分配 mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)和length+ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM))

         中比较大的作为新的block内存空间。

   2.2 根据该block的使用情况，将该block挂在used或者free链表上。

  
 这里需要注意的是二级指针的使用:

for (next= *prev ; next && next->left < length ; next= next->next)
prev= &next->next;
}

 prev指向的是最后一个block的next指向的地址的地址：
 

所以将prev的地址替换为new block的地址，即将该new block加到了free list的结尾:

*prev=next;

 

总结：

MEM_ROOT的内存分配采用的是启发式分配算法，随着后续block的数量越多，单个block的内存也会越大:block_size= mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2) .