jemalloc原理分析

最近准备把jemalloc用到JVM中，就研究了一下它的源码，网上没有找到太多详细的资料，不像glibc的内存管理模块ptmalloc华庭写过一个很详细的文档。

       首先介绍一下jemalloc中的几个核心概念：

       1.arena。jemalloc的核心分配管理区域，对于多核系统，会默认分配4*cores的Arena，线程采取轮询的方式来选择相应的arena来进行内存分配。

       2.chunk。具体进行内存分配的区域，目前的默认大小是4M。chunk以page（默认为4K)为单位进行管理，每个chunk的前几个page（默认是6个）用于存储后面所有page的状态，比如是否待分配还是已经分配；而后面的所有page则用于进行实际的分配。

       3.bin。用来管理各个不同大小单元的分配，比如最小的Bin管理的是8字节的分配，每个Bin管理的大小都不一样，依次递增。jemalloc的bin和ptmalloc的bin的作用类似。

       4.run。每个bin在实际上是通过对它对应的正在运行的Run进行操作来进行分配的，一个run实际上就是chunk里的一块区域，大小是page的整数倍，具体由实际的bin来决定，比如8字节的bin对应的run就只有1个page，可以从里面选取一个8字节的块进行分配。在run的最开头会存储着这个run的信息，比如还有多少个块可供分配。

       5.tcache。线程对应的私有缓存空间，默认是使用的。因此在分配内存时首先从tcache中找，miss的情况下才会进入一般的分配流程。

       接下来介绍它们之间的关系。每个arena有一个bin数组，根据机器配置不同它的具体结构也不同，由相应的size_class.h中的宏定义决定，在笔者的机器上这个bin数组会管理从8字节一直到3584字节共28种大小的bin，而每个bin会通过它对应的正在运行的run进行操作来进行分配的。每个tcahe有一个对应的arena，它本身也有一个bin数组（称为tbin），前面的部分与arena的bin数组是对应的，但它长度更大一些，因为它会缓存一些更大的块；而且它也没有对应的run的概念，因为它只做缓存，rnny它只有一个avail数组来存储被缓存的空间的地址。像笔者机器上的tcahe在arena最大的3584字节的bin的基础上，后面还有8个bin，分别对应4K,8K,12K一直到32K。

       这里想重点介绍一下chunk与run的关系。之前提到chunk默认是4M，而run是在chunk中进行实际分配的操作对象，每次有新的分配请求时一旦tcache无法满足要求，就要通过run进行操作，如果没有对应的run存在就要新建一个，哪怕只分配一个块，比如只申请一个8字节的块，也会生成一个大小为一个page（默认4K）的run；再申请一个16字节的块，又会生成一个大小为4096字节的run。run的具体大小由它对应的bin决定，但一定是page的整数倍。因此实际上每个chunk就被分成了一个个的run。

       可能说到这里读者还是十分模糊，那接下来就介绍一下jemalloc具体是如何进行内存分配的，具体流程如下：

       1.   如果请求size不大于arena的最小的bin（笔者机器上是3584字节），那么就通过线程对应的tcache来进行分配。首先确定size的大小属于哪一个tbin，比如2字节的size就属于最小的8字节的tbin，然后查找tbin中有没有缓存的空间，如果有就进行分配，没有则为这个tbin对应的arena的bin分配一个run，然后把这个run里面的部分块的地址依次赋给tcache的对应的bin的avail数组，相当于缓存了一部分的8字节的块，最后从这个availl数组中选取一个地址进行分配；

       2.   如果请求size大于arena的最小的bin，同时不大于tcache能缓存的最大块（笔者机器上是32K），也会通过线程对应的tcache来进行分配，但方式不同。首先看tcache对应的tbin里有没有缓存块，如果有就分配，没有就从chunk里直接找一块相应的page整数倍大小的空间进行分配（当这块空间后续释放时，这会进入相应的tcache对应的tbin里）；

       3.   如果请求size大于tcache能缓存的最大块，同时不大于chunk大小（默认是4M），具体分配和第2类请求相同，区别只是没有使用tcache；

       4.   如果请求大于chunk大小，直接通过mmap进行分配。

       回收流程大体和分配流程类似，有tcache机制的会将回收的块进行缓存，没有tcache机制的直接回收（不大于chunk的将对应的page状态进行修改，回收对应的run；大于chunk的直接munmap）。需要关注的是jemalloc何时会将内存还给操作系统，因为ptmalloc中存在因为使用top_chunk机制（详见华庭的文章）而使得内存无法还给操作系统的问题。目前看来，除了大内存直接munmap，jemalloc还有两种机制可以释放内存：

       1.   当释放时发现某个chunk的所有内存都已经为脏（即分配后又回收）就把整个chunk释放；

       2.   当arena中的page分配情况满足一个阈值时对dirty page进行purge（通过调用madvise来进行）。这个阈值的具体含义是该arena中的dirty page大小已经达到一个chunk的大小且占到了active page的1/opt_lg_dirty_mult（默认为1/32）。active page的意思是已经正在使用中的run的page，而dirty page就是其中已经分配后又回收的page。

       上述两种机制保证了jemalloc不会出现类似ptmalloc中的内存无法交还给操作系统的问题。

   

       总体而言，jemalloc的设计思想比ptmalloc要简单，却也更先进，tcache的使用保证了分配效率，回收机制也保证了不会出现大量内存无法交还给操作系统的问题，同时将一些管理状态信息单独于分配的空间集中高效存储（大量使用bitmap）提高了内存的使用率。当然由于jemalloc中内存的使用都以page为单位，因此会有一些内部碎片的问题（比如申请5K的空间实际会使用8K的空间），但总体上它仍比ptmalloc占用的内存更少，效率更高。目前redis已经默认使用jemalloc，淘宝的Tengine也已经提供了jemalloc的支持。

    

参考资料：

1. jemalloc 3.0.0源码

2. 更好的内存管理-jemalloc