nginx内存池源码解析

三叶草

内存池是在真正使用内存之前，预先申请分配一定数量的、大小相等(一般情况下)的内存块留作备用，接下来通过本文给大家介绍nginx内存池源码，本文通过实例代码给大家介绍的非常详细，需要的朋友参考下吧
目录

• 内存池概述
  
• 一、nginx数据结构
  
• 二、nginx向OS申请空间ngx_create_pool
  
• 三、nginx向内存池申请空间
  
• 四、大块内存的分配与释放
  
• 五、关于小块内存不释放
  
• 六、销毁和清空内存池
  
• 七、编译测试内存池接口功能
  

内存池概述
内存池是在真正使用内存之前，预先申请分配一定数量的、大小相等(一般情况下)的内存块留作备用。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够用时，再继续申请新的内存。
内存池的好处有减少向系统申请和释放内存的时间开销，解决内存频繁分配产生的碎片，提示程序性能，减少程序员在编写代码中对内存的关注等
目前一些常见的内存池实现方案有STL中的内存分配区，boost中的object_pool,nginx中的ngx_pool_t,google的开源项目TCMalloc等。
为了自身使用的方便，Nginx封装了很多有用的数据结构，比如ngx_str_t ,ngx_array_t, ngx_pool_t 等等，对于内存池，nginx设计的十分精炼，值得我们学习，本文重点给大家介绍nginx内存池源码，并用一个实际的代码例子作了进一步的讲解。

一、nginx数据结构

// SGI STL小块和大块内存的分界点：128B
// nginx（给HTTP服务器所有的模块分配内存）小块和大块内存的分界点：4096B
#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL  (ngx_pagesize - 1) 
 
// 内存池默认大小
#define NGX_DEFAULT_POOL_SIZE  (16 * 1024)
 
// 内存池字节对齐，SGI STL对其是8B
#define NGX_POOL_ALIGNMENT     16
#define NGX_MIN_POOL_SIZE    ngx_align((sizeof(ngx_pool_t) + 2 * sizeof(ngx_pool_large_t)), \
                 NGX_POOL_ALIGNMENT)
 
// 将开辟的内存调整到16的整数倍
#define ngx_align(d, a)      (((d) + (a - 1)) & ~(a - 1))

typedef struct ngx_pool_s ngx_pool_t;
 
typedef struct {
  u_char         *last;   // 指向可用内存的起始地址
  u_char         *end;  // 指向可用内存的末尾地址
  ngx_pool_t       *next;   // 指向下一个内存块  
  ngx_uint_t      failed; // 当前内存块分配空间失败的次数
} ngx_pool_data_t;
 
// 内存池块的类型
struct ngx_pool_s {
  ngx_pool_data_t     d;      // 内存池块头信息
  size_t        max;  
  ngx_pool_t       *current;  // 指向可用于分配空间的内存块（failed < 4）的起始地址
  ngx_chain_t      *chain;    // 连接所有的内存池块
  ngx_pool_large_t   *large;    // 大块内存的入口指针
  ngx_pool_cleanup_t   *cleanup;  // 内存池块的清理操作，用户可设置回调函数，在内存池块释放之前执行清理操作
  ngx_log_t      *log;    // 日志
};

二、nginx向OS申请空间ngx_create_pool

// 根据size进行内存开辟
ngx_pool_t * ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log){
  ngx_pool_t  *p;
  // 根据系统平台定义的宏以及用户执行的size，调用不同平台的API开辟内存池
  p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log);
  if (p == NULL) {
    return NULL;
  }
 
  p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);  // 指向可用内存的起始地址
  p->d.end = (u_char *) p + size;         // 指向可用内存的末尾地址
  p->d.next = NULL;                 // 指向下一个内存块，当前刚申请内存块，所以置空        
  p->d.failed = 0;                // 内存块是否开辟成功
 
  size = size - sizeof(ngx_pool_t);        // 能使用的空间 = 总空间 - 头信息
  // 指定的大小若大于一个页面就用一个页面，否则用指定的大小
  // max = min(size, 4096)，max指的是除开头信息以外的内存块的大小
  p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
 
  p->current = p;     // 指向可用于分配空间的内存块的起始地址
  p->chain = NULL;
  p->large = NULL;    // 小块内存直接在内存块开辟，大块内存在large指向的内存开辟
  p->cleanup = NULL;
  p->log = log;
 
  return p;
}

三、nginx向内存池申请空间

void *
ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)
  if (size <= pool->max) {
    // 当前分配的空间小于max，小块内存的分配
    return ngx_palloc_small(pool, size, 1);   // 考虑内存对齐
  }
#endif
 
  return ngx_palloc_large(pool, size);
}
 
void *
ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)
  if (size <= pool->max) {
    return ngx_palloc_small(pool, size, 0);  // 不考虑内存对齐
  }
#endif
 
  return ngx_palloc_large(pool, size);
}
 
void* ngx_pcalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size){
  void *p;
  p = ngx_palloc(pool, size); // 考虑内存对齐
  if (p) {
    ngx_memzero(p, size);   // 可以初始化内存为0
  }
 
  return p;
}

ngx_palloc_small 分配效率高，只做了指针的偏移

static ngx_inline void *
ngx_palloc_small(ngx_pool_t *pool, size_t size, ngx_uint_t align)
{
  u_char    *m;
  ngx_pool_t  *p;
  // 从第一个内存块的current指针指向的内存池进行分配
  p = pool->current;
 
  do {
    m = p->d.last;  // m指向可分配内存的起始地址
 
    if (align) {
      // 把m调整为NGX_ALIGNMENT整数倍
      m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
    }
    // 内存池分配内存的核心代码
    if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {
      // 若可分配空间 >= 申请的空间
      // 偏移d.last指针，记录空闲空间的首地址
      p->d.last = m + size;
      return m;
    }
    // 当前内存块的空闲空间不够分配，若有下一个内存块则转向下一个内存块
    // 若没有，p会被置空，退出while
    p = p->d.next;
  } while (p);
  
  return ngx_palloc_block(pool, size);
}

当前内存池的块足够分配：

当前内存池的块不够分配：

• 开辟新的内存块，修改新内存块头信息的last、end、next、failed
  
• 前面所有内存块的failed++
  
• 连接新的内存块以及前面的内存块
  

static void * ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size){
  u_char    *m;
  size_t     psize;
  ngx_pool_t  *p, *new;
  // 开辟与上一个内存块大小相同的内存块
  psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool);
  
  // 将psize对齐为NGX_POOL_ALIGNMENT的整数倍后，向OS申请空间
  m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log);
  if (m == NULL) {
    return NULL;
  }
 
  new = (ngx_pool_t *) m;  // 指向新开辟内存块的起始地址
 
  new->d.end = m + psize;  // 指向新开辟内存块的末尾地址
  new->d.next = NULL;     // 下一块内存的地址为NULL 
  new->d.failed = 0;      // 当前内存块分配空间失败的次数
  
  // 指向头信息的尾部，而max，current、chain等只在第一个内存块有
  m += sizeof(ngx_pool_data_t);  
  m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
  new->d.last = m + size;        // last指向当前块空闲空间的起始地址
  
  // 由于每次都是从pool->current开始分配空间
  // 若执行到这里，除了new这个内存块分配成功，其他的内存块全部分配失败
  for (p = pool->current; p->d.next != NULL; p = p->d.next) {
    // 对所有的内存块的failed都++，直到该内存块分配失败的次数大于4了
    // 就表示该内存块的剩余空间很小了，不能再分配空间了
    // 就修改current指针，下次从current开始分配空间，再次分配的时候可以不用遍历前面的内存块
    if (p->d.failed++ > 4) {
      pool->current = p->d.next;
    }
  }
  
  p->d.next = new;   // 连接可分配空间的首个内存块 和 新开辟的内存块
 
  return m;
}

四、大块内存的分配与释放

typedef struct ngx_pool_large_s  ngx_pool_large_t;
 
struct ngx_pool_large_s {
  ngx_pool_large_t   *next;   // 下一个大块内存的起始地址
  void         *alloc;  // 大块内存的起始地址
};
 
static void * ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size){
  void        *p;
  ngx_uint_t     n;
  ngx_pool_large_t  *large;
  
  // 调用的就是malloc
  p = ngx_alloc(size, pool->log);
  if (p == NULL) {
    return NULL;
  }
 
  n = 0;
  // for循环遍历存储大块内存信息的链表
  for (large = pool->large; large; large = large->next) {
    if (large->alloc == NULL) {
      // 当大块内存被ngx_pfree时，alloc为NULL
      // 遍历链表，若大块内存的首地址为空，则把当前malloc的内存地址写入alloc
      large->alloc = p;
      return p;
    }
    // 遍历4次后，若还没有找到被释放过的大块内存对应的信息
    // 为了提高效率，直接在小块内存中申请空间保存大块内存的信息
    if (n++ > 3) {
      break;
    }
  }
  // 通过指针偏移在小块内存池上分配存放大块内存*next和*alloc的空间
  large = ngx_palloc_small(pool, sizeof(ngx_pool_large_t), 1);
  if (large == NULL) {
    // 如果在小块内存上分配存储*next和*alloc空间失败，则无法记录大块内存
    // 释放大块内存p
    ngx_free(p);
    return NULL;
  }
  
  large->alloc = p;         // alloc指向大块内存的首地址
  large->next = pool->large;     // 这两句采用头插法，将新内存块的记录信息存放于以large为头结点的链表中
  pool->large = large;
 
  return p;
}

大块内存的释放

// 释放p指向的大块内存
ngx_int_t ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p){
  ngx_pool_large_t  *l;
 
  for (l = pool->large; l; l = l->next) {
    // 遍历存储大块内存信息的链表，找到p对应的大块内存
    if (p == l->alloc) {
      ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, pool->log, 0,
               "free: %p", l->alloc);
      // 释放大块内存，但不释放存储信息的内存空间
      ngx_free(l->alloc);  // free
      l->alloc = NULL;   // alloc置空
 
      return NGX_OK;
    }
  }
 
  return NGX_DECLINED;
}

五、关于小块内存不释放
就用了last和end两个指着标识空闲的空间，是无法将已经使用的空间合理归还到内存池的，只是会重置内存池。同时还存储了指向大内存块large和清理函数cleanup的头信息
考虑到nginx的效率，小块内存分配高效，同时也不回收内存

void ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool){
  ngx_pool_t    *p;
  ngx_pool_large_t  *l;
  
  // 由于需要重置小块内存，而大块内存的控制信息在小块内存中保存
  // 所以需要先释放大块内存，在重置小块内存
  for (l = pool->large; l; l = l->next) {
    if (l->alloc) {
      ngx_free(l->alloc);
    }
  }
  
  // 遍历小块内存的链表，重置last、failed、current、chain、large等管理信息
  for (p = pool; p; p = p->d.next) {
    // 由于只有第一个内存块有除了ngx_pool_data_t以外的管理信息，别的内存块只有ngx_pool_data_t的信息
    // 不会出错，但是会浪费空间
    p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t);
    p->d.failed = 0;
  }
  
  // current指向可用于分配内存的内存块
  pool->current = pool;
  pool->chain = NULL;
  pool->large = NULL;
}

nginx本质是http服务器，通常处理的是短链接，间接性提供服务，需要的内存不大，所以不回收内存，重置即可。
客户端发起一个requests请求后，nginx服务器收到请求会返回response响应，若在keep-alive时间内没有收到客户的再次请求，nginx服务器会主动断开连接，此时会reset内存池。下一次客户端请求再到来时，可以复用内存池。
如果是处理长链接，只要客户端还在线，服务器的资源就无法释放，直到系统资源耗尽。长链接一般使用SGI STL内存池的方式进行内存的开辟和释放，而这种方式分配和回收空间的效率就比nginx低

六、销毁和清空内存池
假设如下情况：

// 假设内存对齐为4B
typedef struct{
  char* p;
  char data[508];
}stData;
 
ngx_pool_t *pool = ngx_create_pool(512, log);  // 创建一个总空间为512B的nginx内存块
stData* data_ptr = ngx_alloc(512);      // 因为可用的实际内存大小为：512-sizeof(ngx_pool_t)，所以属于大内存开辟
data_ptr->p = malloc(10);           // p指向外界堆内存，类似于C++对象中对用占用了外部资源

当回收大块内存的时候，调用ngx_free，就会导致内存泄漏

以上内存泄漏的问题，可以通过回调函数进行内存释放（通过函数指针实现）

typedef void (*ngx_pool_cleanup_pt)(void *data);
 
typedef struct ngx_pool_cleanup_s  ngx_pool_cleanup_t;
 
// 以下结构体由ngx_pool_s.cleanup指向，也是存放在内存池的小块内存
struct ngx_pool_cleanup_s {
  ngx_pool_cleanup_pt   handler;
  void         *data;   // 指向需要释放的资源
  ngx_pool_cleanup_t   *next;   // 释放资源的函数都放在一个链表，用next指向这个链表
};

nginx提供的函数接口：

// p表示内存池的入口地址，size表示p->cleanup->data指针的大小
// p->cleanup指向含有清理函数信息的结构体
// ngx_pool_cleanup_add返回 含有清理函数信息的结构体 的指针
ngx_pool_cleanup_t* ngx_pool_cleanup_add(ngx_pool_t *p, size_t size){
  ngx_pool_cleanup_t  *c;
  
  // 开辟清理函数的结构体，实际上也是存放在内存池的小块内存
  c = ngx_palloc(p, sizeof(ngx_pool_cleanup_t));
  if (c == NULL) {
    return NULL;
  }
  
  if (size) {
    // 为c->data申请size的空间
    c->data = ngx_palloc(p, size);
    if (c->data == NULL) {
      return NULL;
    }
  } else {
    c->data = NULL;
  }
 
  c->handler = NULL;
  // 采用头插法，将当前结构体串在pool->cleanup后
  c->next = p->cleanup;
  p->cleanup = c;
 
  ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_ALLOC, p->log, 0, "add cleanup: %p", c);
 
  return c;
}

使用方式：

void release(void* p){
  free(p);
}
 
ngx_pool_cleanup_t* clean_ptr = ngx_clean_cleanup_add(pool, sizeof(char*));
clean_ptr->handler = &release;   // 用户设置销毁内存池前需要调用的函数
clean_ptr->data = data_ptr->p;   // 用户设置销毁内存池前需要释放的内存的地址
 
ngx_destroy_pool(pool);      // 用户销毁内存池

七、编译测试内存池接口功能

void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)
{
  ngx_pool_t      *p, *n;
  ngx_pool_large_t  *l;
  ngx_pool_cleanup_t  *c;
  
  // 遍历cleanup链表（存放的时释放前需要调用的函数），可释放外部占用的资源
  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);
    }
  }
 
  // 释放大块内存
  for (l = pool->large; l; l = l->next) {
    if (l->alloc) {
      ngx_free(l->alloc);
    }
  }
  
  // 释放小块内存池
  for (p = pool, n = pool->d.next; /* void */; p = n, n = n->d.next) {
    ngx_free(p);
    
    if (n == NULL) {
      break;
    }
  }
}

执行configure生成Makefile文件（若报错则表示需要apt安装软件）

Makefile如下：

执行make命令使用Makefile编译源码，在相应目录下生成 .o文件

#include <ngx_config.h>
#include <nginx.h>
#include <ngx_core.h>
#include <ngx_palloc.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
void ngx_log_error_core(ngx_uint_t level, ngx_log_t *log, ngx_err_t err,
      const char *fmt, ...){
 
}
 
typedef struct Data stData;
struct Data{
  char *ptr;
  FILE *pfile;
};
 
void func1(char *p){
  printf("free ptr mem!\n");
  free(p);
}
 
void func2(FILE *pf){
  printf("close file!\n");
  fclose(pf);
}
 
void main(){
  // max = 512 - sizeof(ngx_pool_t)
  // 创建总空间为512字节的nginx内存块
  ngx_pool_t *pool = ngx_create_pool(512, NULL);
  if(pool == NULL){
    printf("ngx_create_pool fail...");
    return;
  }
  
  // 从小块内存池分配的
  void *p1 = ngx_palloc(pool, 128); 
  if(p1 == NULL){
    printf("ngx_palloc 128 bytes fail...");
    return;
  }
  
  // 从大块内存池分配的
  stData *p2 = ngx_palloc(pool, 512); 
  if(p2 == NULL){
    printf("ngx_palloc 512 bytes fail...");
    return;
  }
  
  // 占用外部堆内存
  p2->ptr = malloc(12);
  strcpy(p2->ptr, "hello world");
  // 文件描述符
  p2->pfile = fopen("data.txt", "w");
  
  ngx_pool_cleanup_t *c1 = ngx_pool_cleanup_add(pool, sizeof(char*));
  c1->handler = func1;   // 设置回调函数
  c1->data = p2->ptr;  // 设置资源地址
 
  ngx_pool_cleanup_t *c2 = ngx_pool_cleanup_add(pool, sizeof(FILE*));
  c2->handler = func2;
  c2->data = p2->pfile;
  
  // 1.调用所有的预置的清理函数 2.释放大块内存 3.释放小块内存池所有内存
  ngx_destroy_pool(pool); 
 
  return;
}

由于ngx_pool_cleanup_add中用头插法将创建的清理块链入pool->cleanup，所以ngx_destroy_pool的时候先清理文件后清理堆内存。
相关测试代码推送到：https://github.com/BugMaker-shen/nginx_sgistl_pool
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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_42500831/article/details/121328558