nginx中slab机制理解

        众所周知，操作系统使用伙伴系统管理内存，不仅会造成大量的内存碎片，同时处理效率也较低下。SLAB是一种内存管理机制，其拥有较高的处理效率，同时也有效的避免内存碎片的产生，其核心思想是预分配。其按照SIZE对内存进行分类管理的，当申请一块大小为SIZE的内存时，分配器就从SIZE集合中分配一个内存块(BLOCK)出去，当释放一个大小为SIZE的内存时，则将该内存块放回到原有集合，而不是释放给操作系统。当又要申请相同大小的内存时，可以复用之前被回收的内存块(BLOCK)，从而避免了内存碎片的产生。[注：因SLAB处理过程的细节较多，在此只是做一个原理上的讲解]

2 总体结构

图1 SLAB内存结构

3 处理流程

    如图1中所示：SLAB管理机制将内存大体上分为SLAB头、SLOT数组、PAGES数组、可分配空间、被浪费空间等模块进行分别管理，其中各模块的功能和作用：

• SLAB头：包含SLAB管理的汇总信息，如最小分配单元（min_size）、最小分配单元对应的位移（min_shift）、页数组地址（pages）、空闲页链表（free）、可分配空间的起始地址（start）、内存块结束地址（end）等等信息（如代码1所示），在内存的管理过程中，内存的分配、回收、定位等等操作都依赖于这些数据。
• SLOT数组：SLOT数组各成员分别负责固定大小的内存块（BLOCK）的分配和回收。在nginx中SLOT[0]~SLOT[7]分别负责区间在[1~8]、[9~16]、[17~32]、[33~64]、[65~128]、[129~256]、[257~512]、[513~1024]字节大小内存的分配，但为方便内存块（BLOCK）的分配和回收，每个内存块（BLOCK）的大小为各区间的上限（8、16、32、64、128、256、512、1024）。比如说：假如应用进程请求申请5个字节的空间，因5处在[1~8]的区间内，因此由SLOT[0]负责该内存的分配，但区间[1~8]的上限为8，因此即使申请5个字节，却依然分配8字节给应用进程。以此类推：假如申请12字节，12处于区间[9~16]之间，取上限16，因此由SLOT[1]分配16个字节给应用进程；假如申请50字节，50处于区间[33~64]之间，取上限64，因此由SLOT[2]分配64个字节给应用进程；假如申请84字节，84处于区间[65~128]之间，取上限128，因此由SLOT[3]分配128个字节；...；假如申请722字节，722处于区间[513~1024]之间，取上限1024，因此由SLOT[7]分配1024字节。
• PAGES数组：PAGES数组各成员分别负责可分配空间中各页的查询、分配和回收，其处理流程可参考3.2节的说明。
• 可分配空间：SLAB在逻辑上将可分配空间划分成M个内存页，每页大小为4K。每页内存与PAGES数组成员一一对应，由PAGES数组各成员负责各内存页的分配和回收。
• 被浪费空间：按照每页4K的大小对空间进行划分时，满足4K的空间，将作为可分配空间被PAGES数组进行管理，而最后剩余的不足4K的内存将会被舍弃，也就是被浪费了！

3.1 初始化流程

     初始化阶段主要完成对SLOT头、SLOT数组、PAGES数组、可分配空间和被浪费空间的区域分化，各区域的划分可参考图1和各模块功能的说明。nginx中slab结构体如下所示：

typedef struct {
    size_t            min_size;     /* 最小分配单元 */
    size_t            min_shift;    /* 最小分配单元对应的位移 */

    ngx_slab_page_t  *pages;        /* 页数组 */
    ngx_slab_page_t   free;         /* 空闲页链表 */

    u_char           *start;        /* 可分配空间的起始地址 */
    u_char           *end;          /* 内存块的结束地址 */

    ...                             /* 其他变量成员（省略） */
}ngx_slab_pool_t

代码1 SLAB头部结构体

3.2 页的管理

3.2.1 页的分配

1）分配之前

    在SLAB初始化之后，所有页可以看成是一个连续的整体，其内存结构如下图所示：

图2 页的结构（分配之前）

2）申请一页

    当申请一页时，则将pages[0]从free链表中分离出去，如下图所示：

图3 页的结构（申请一页）

3）申请二页

    当再申请二页时，则将page[3]和pages[4]作为一个整体从free链表中分离出去，如下图所示：

图4 页的结构（申请二页）

3.2.2 页的回收

1）回收一页

    当页被回收时，被回收的页并不会和未被分配的页进行合并，而是通过链表串联起来，如下图所示：

图5 页的结构（回收一页）

2）回收二页

    当页被回收时，被回收的页并不会和未被分配的页进行合并，而是通过链表串联起来，如下图所示：

图6 页的结构（回收二页）

3.4 SLOT的管理

    SLOT数组的作用可以参考第三章开头的阐述。SLOT数组各成员相当于链表头，在SLOT的分配和回收过程中，通过链表来组织用于分配各SIZE（1~1024）的PAGE。如，在某时刻，可能存在如下状态：

图7  SLOT和PAGES的关系

3.4.1 页的管理

1）初始状态

    在SLAB初始化后，slot链表头的下一个节点都为NULL，如下图所示：

图8 SLOT初始状态

2）添加一页

    SLOT[2]负责32（17~32）字节空间的分配和回收，假设现申请分配24字节（17~32之间）的空间，因此将从slot[2]中分配。但在初始状态下slot[2]的下一页为NULL，因此需要向页管理模块申请一页pages[x]内存，再将该页加入到slot[2]的链表中，添加之后的内存结构如下图所示：

图9 slot[2]增加一页

3）暂离链表

   SLOT[2]中的每一页有128（4K/32=128）个单元，当一页分配了128次时，表示该页可分配单元分配完毕，此时该页将会暂时从链表中剔除出去，以防止下次申请时，做无效的遍历。如下图所示：

图10 slot[2]第一页被使用完

 

4）再添一页

    当再次申请17~32字节时，此时slot[2]的后续链表为空，因此需要再次向页管理申请一页pages[y]内存，再将该页加入到slot[2]的链表中，如下图所示。如果该页又被分配完，则进行3）的处理。

图11 slot[2]再添一页

5）重入链表

      当所有单元被用完的页pages[x]中的一个单元被回收时，页pages[x]中将有1个单元可以再次被分配使用，此时应该将pages[x]重新加入到slot[2]的链表中，以便下次分配时可以从页pages[x]中进行查找。此时内存组织形式如下图所示：

图12 页pages[x]重入链表

6）回收整页

    当页pages[x]所有单元被释放后，则该页将会被全部回收：该页将从slot[2]的链表中被剔除，并将页pages[x]重新加入到free链表。此时的内存结构图如下图所示：

图13 回收页pages[x]

 

3.4.2 SLOT的分配

1）页内结构

    被加入到SLOT数组链表的页在逻辑上划分为很多的内存单元，每一小内存单元的使用情况是通过位图进行标记的，1表示被占用，0表示未被占用。如：第20位bit的值为1时，表示第20个内存单元被占用。假如此SLOT链表的PAGE正好可以划分为32块，则其逻辑组织结构如下图所示：

图14 PAGE内结构

2）分配单元

    假如此时在SLOT[s]链表的页中连续申请4个内存单元，则其前4个内存单元将首先被占用，则此时的位图结构如下图所示：

图15 分配单元

3）释放单元

    假如此时释放SLOT[s]链表页中第3个内存单元，则此时的位图结构如下图所示：

图16 释放单元