一文浅析内存管理机制

// include/linux/mm.h
struct vm_area_struct {
    struct mm_struct * vm_mm;
};

// include/linux/sched.h
struct mm_struct {
    struct vm_area_struct *mmap;  // vma链表结构
    struct rb_root mm_rb;   // 红黑树指针
    struct vm_area_struct *mmap_cache;  // 指向最近找到的虚拟区间
    atomic_t mm_users;  // 正在使用该地址的进程数
    atomic_t mm_count;  // 引用计数，为0时销毁
    struct list_head mmlist;  // 所有mm_struct结构体都通过mmlist连接在一个双向链表中
};

// include/linux/mm.h
struct page {
    unsigned long flags;  // 页标识符
    atomic_t count;  // 页引用计数
    struct list_head list;  // 页链表
    struct address_space *mapping;  // 所属的inode
    unsigned long index;  // mapping中的偏移
    struct list_head lru;  // LRU最近最久未使用, struct slab结构指针链表头变量
    void *virtual;  // 页虚拟地址
}

//mm/page_alloc.c
// 块分配, removing an element from the buddy allocator
// 再zone中找到一个空闲块，order（0：单页，1：双页，2：4页  2 ^ order）
static struct page * __rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order)
{
}
// 块释放，处理合并逻辑
static int
free_pages_bulk(struct zone *zone, int count, struct list_head *list, unsigned int order) {
}

// 数组实现二叉树
struct buddy {
   int level;  // 二叉树深度
    uint8_tree[1]; // 记录二叉树用来存储内存块(节点)使用情况,柔性数组，不占内存
};

// 分配大小为s的内存
int
buddy_alloc(struct buddy * self, int s) {
    // 分配大小s的内存，返回分配内存偏移量地址(首地址)
    int size;
    if (s == 0) {
        size = 1;
    } else {
        // 获取大于s的最小2次幂
        size = (int)next_pow_of_2(s);
    }
    int length = 1 << self->level;
    if(size > length)
        return -1;
    int index = 0;
    int level = 0;
    while (index >= 0) {
        //具体分配细节...
    }
    return -1;
}

// 释放内存并尝试合并
void
buddy_free(struct buddy * self, int offset) {
    // 释放偏移量offset开始的内存块
    int left = 0;
    int length = 1 << self->level;
    int index;
    for (;;) {
        switch(self->tree[index]) {
            case NODE_USED:
        _combine(self, index);  // 尝试合并
                return;
            case NODE_UNUSED:
                return;
            default:
              // ...
        }
    }
}

// 第1层 PyMem_Malloc通过一个宏PyMem_MALLOC实现
// pymem.h
PyAPI_FUNC(void *) PyMem_Malloc(size_t);
PyAPI_FUNC(void *) PyMem_Realloc(size_t);
PyAPI_FUNC(void *) PyMem_Free(size_t);

#define PyMem_MALLOC(n)  ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX ? NULL\
    : malloc(((n) != 0) ? (n) : 1))
#define PyMem_MALLOC(n)  ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX ? NULL\
    : realloc(((n) != 0) ? (n) : 1))
#define PyMem_FREE    free

// Type-oriented memory interface 指定类型
#define PyMem_New(type, n) \
 ( ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL : \
 ( (type*)PyMem_Malloc((n) * sizeof(type))) ) )
#define PyMem_NEW(type, n) \
 ( ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL : \
 ( (type*)PyMem_MALLOC((n) * sizeof(type))) ) )

// obmalloc.c
// 8字节对齐
#define ALIGNMENT 8
#define ALIGNMENT_SHIFT 3
#define ALIGNMENT_MASK (ALIGNMENT - 1)
// block大小上限为256，超过256KB，则交由第一层的内存管理机制
#define SMALL_REQUEST_THRESHOLD  256
#define NB_SMALL_SIZZE_CLASSES (SMALL_REQUEST_THREASHOLD / ALIGNMENT)
// size class index 转换到 size class
#define INDEX2SIZE(I) (((unit) (I)) + 1) << ALIGMENT_SHIFT)
// sizes class 转换到size class index
size = (uint )(nbytes - 1) >> ALIGMENT_SHIFT;

// obmalloc.c
#define SYSTEM_PAGE_SIZE (4 * 1024)
#define SYSTEM_PAGE_SIZE_MASK (SYSTEM_PAGE_SIZE - 1)
// 一个pool大小
#define POOL_SIZE SYSTEM_PAGE_SIZE
#define POOL_SIZE_MASK SYSTEM_PAGE_SIZE_MASK
/*pool for small blocks*/
struct pool_header {
    union {
        block *_padding;
        uint count; }ref;   // 分配的block数量
    block *freeblock;  // 指向pool中可用block的单向链表
    struct pool_header *nextpool;  // 指向下一个
    struct pool_header *prevpool;  // 指向上一个
    uint arenaindex;
    // 记录pool保存的block的大小，一个pool中所有block都是szidx大小
    // 和size class index联系在一起
    uint szidx;
    uint nextoffset;  
    uint maxnextoffset;
};

typedef struct pool_header *poolp;

// obmalloc.c
typedef uchar block;
void *
PyObject_Malloc(sizes_t nbytes)
{
    block *bp;  // 指向从pool中取出第一块block的指针
    poolp pool;  // 指向一块4kb内存
    poolp next;
    uint size;
 // 小于SMALL_REQUEST_THRESHOLD 使用Python的小块内存的内存池，否则走malloc
    if ((nbytes - 1) < SMALL_REQUEST_THRESHOLD) {
        // 根据申请内存的大小获得对应的获得size class index, 从usedpools中取pool
        size = (uint)(nbytes - 1) >> ALIGNMENT_SHIFT;
        pool = usedpools[size + size];
        // 如果usedpools中有可用pool, 使用这个pool来分配block$
        if (pool != pool->nextpool) {
            ...
        }
        
    }
}

// obmalloc.c
#define ARENA_SIZE   (256 << 10)  // 256kb
// arena包含arena_object及其管理的pool集合，就如同pool和pool_header一样
struct arena_object {
    uintptr_t address;  // arena地址
    block* pool_address; // 下一个pool地址
    uint nfreepools;
    uint ntotalpools;
    struct pool_header* freepools;  // 可用pool通过单链表连接
    struct arena_object* nextarena;
    struct arena_object* prearena;
};
// arenas管理着arena_object的集合
static struct arena_object* arenas = NULL;
// 未使用的arena_object链表
static struct arena_object * unused_arena_objects = NULL;
// 可用的arena_object链表
static struct arena_object * usable_arenas = NULL;
static struct arena_object * nwe_arena(void)
{
    struct arena_object * arenaobj;
    uint excess;
    // 判断是否需要扩充“未使用的”arena_object列表
    if (unused_arena_objects == NULL) {
        // 确定本次需要申请的arena_object的个数，并申请内存
        numarenas = maxarenas ? maxarenas << 1 : INITIAL_ARENA_OBJECTS;
        ...
    }
    // 从unused_arena_objects中取出一个未使用的arena_object
    arenaobj = unused_arena_objects;
    unused_arena_objects = arenaobj->nextarena;
    // 建立arena_object和pool的联系
    arenaobj->address = (uptr)address;
    ...
    return arenaobj;
}

// 结构体
// 大块内存结构体
struct mp_large_s {
    struct mp_large_s *next;
    void *alloc;
};
// 小块内存节点，小块内存构成一个链表
struct mp_node_s {
  unsigned char *last;  // 下一次内存从此分配
    unsigned char *end;  // 内存池结束位置
    struct mp_node_s *next;  // 指向下一个内存块
    size_t failed;  // 改内存块/node分配失败的次数
};
// 内存池结构
struct mp_pool_s {
   size_t max;  // 能直接从内存池中申请的最大内存，超过需要走大块内存申请逻辑
    struct mp_node_s *current;  // 当前分配的node
    struct mp_large_s *large;  // 大块内存结构体
    struct mp_node_s head[0];  // 柔性数组不占用大小，其地址为紧挨着结构体的第一个node
};
// 需要实现的接口
struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size);  // 创建内存池
void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool); // 销毁内存池
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);  // 分配内存 对齐
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p); // 释放p节点内存

int posix_memalign(void**memptr, size_t alignment, size_t size);
/* memptr: 分配好的内存空间的首地址
  alignment: 对齐边界，Linux中32位系统8字节，64位系统16字节，必须为2的幂
  size: 指定分配size字节大小的内存
*/

// 创建并初始化内存池
struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size) {
    struct mp_pool_s *p;
   // 分配内存池内存：mp_pool_s + mp_node_s + size
    int ret = posix_memalign((void**)&p), MP_ALIGNMENT, size + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s));
    if (ret) { return NULL; }
    // 可从内存池申请的最大内存
    p->max = (size < MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
    p->current = p->head;  // 当前可分配的第一个节点mp_node_s
    //一些初始化工作
    return p;
}
// 销毁内存池
void mp_destroy_pool(struct mp_pool_s *pool) {
    struct mp_node_s *h, *n;
    struct mp_large_s *l;
    // 销毁大块内存
    for (l = pool->large; l; l = l->next) { /*...*/}
    // 销毁小块内存
    h = pool->head->next;
    while (h) {/*...*/}
    free(pool);
}
// mp_alloc 分配内存
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
    if (size <= pool->max) {  // 小块内存分配
        p = pool->current;
        do {
            /*...不断寻找下一个可用节点*/
            p = p->next; // 不够则找下一个节点
        } while (p);
        // 内存池中所有节点内存都不以满足分配size内存，需要再次分配一个block
        return mp_alloc_block(pool, size);
    }
    return mp_alloc_large(pool, size); // 大块内存分配
}
// 大块节点内存释放
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p) {
   struct mp_large_s *l;
  for (l = pool->large; l; l = l->next) {
     if (p == l->alloc) {
         free(l->alloc);
          //...
      }
  }
}

// 内存块结构体，每个内存块都有，在最开头的部分，管理本块内存
typedef struct {
    u_char   *last;  // 可用内存的起始位置，小块内存每次都从这里分配
    u_char  *end;  // 可用内存的结束位置
    ngx_pool_t *next; // 写一个内存池节点
    ngx_unit_t failed;  // 本节点分配失败次数，超过4次，认为本节点满，不参与分配，满的内存块也不会主动回收
}ngx_pool_data_t;
// 大块内存节点
typedef struct ngx_pool_large_s ngx_pool_large_t;
struct ngx_pool_large_s {
    ngx_pool_large_t *next;  // 多块大内存串成链表，方便回收利用
    void      *alloc;  // 指向malloc分配的大块内存
};
// nginx内存池结构体
// 多个节点串成的单向链表，每个节点分配小块内存
// max，current，大块内存链表旨在头节点
// 64位系统大小位80字节，结构体没有保存内存块大小的字段，由d.end - p得到
struct ngx_pool_s {
    // 本内存节点信息
    ngx_pool_data_t  d;
    // 下面的字段旨在第一个块中有意义
    size_t      max;  // 块最大内存
    ngx_pool_t     *current;  // 当前使用的内存池节点
    ngx_chain_t     *chain;
    ngx_pool_large_t    *large;   // 大块内存
    ngx_pool_cleanup_t  *cleanup;  // 清理链表头指针
    ngx_log_t     *log;
};
// 创建内存池
ngx_pool_t *ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log);
// 销毁内存池
// 调用清理函数链表，检查大块内存链表，直接free，遍历内存池节点，逐个free
void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool);
// 重置内存池，释放内存，但不归还系统
// 之前分配的内存块依旧保留，重置空闲指针位置
void ngx_reset_pool(ngx_pool_t *pool);
// 分配内存 8字节对齐，速度快，少量浪费 >4k则直接malloc分配大块内存
void *ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);
void *ngx_pnalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size);  // 不对齐
void *ngx_pcalloc(ngx_pool_t *pool, size_t size); // 对齐分配，且初始化
// 大块内存free
ngx_int_t ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p);

// ringbuffer.c
#define BUFFER_SIZE 16  // 缓冲区的长度
static u32 validLen;  // 已使用的数据长度
static u8* pHead = NULL;  // 环形存储区的首地址
static u8* pTail = NULL;  // 环形存储区的尾地址
static u8* pValid = NULL;  // 已使用的缓冲区首地址
static u8* pValidTail = NULL;  // 已使用的缓冲区尾地址
// 初始化环形缓冲区
void init Ringbuffer(void) {
    if (pHead == NULL) pHead = (u8*)malloc(BUFFER_SIZE);
    pValid = pValidTail = pHead;
    pTail = pHead + BUFFER_SIZE;
    validLen = 0;
}
// 向缓冲区写入数据，buffer写入数据指针，addLen写入数据长度
int writeRingbuffer(u8* buffer, u32 addLen) {
    // 将数据copy到pValidTail处
    if (pValidTail + addLen > pTail) // ringbuffer回卷
    {
        int len1 = addLen - pValidTail;
        int len2 = addLen - len1;
        memcpy(pValidTail, buffer, len1);
        memcpy(pHead, buffer + len1, len2);
        pValidTail = pHead + len2;  // 新的有效数据区结尾指针
    } else {
        memcpy(pValidTail, buffer, addLen);
        pValidTail += addLen;  // 新的有效数据结尾指针
    }
    // 重新计算已使用区的起始位置
    if (validLen + addLen > BUFFER_SIZE) {
        int moveLen = validLen + addLen - BUFFER_SIZE;  // 有效指针将要移动的长度
        if (pValid + moveLen > pTail) {
            int len1 = pTail - pValid;
            int len2 = moveLen - len1;
            pValid = pHead + len2;
        } else {
            pValid = pValid + moveLen;
        }
        validLen = BUFFER_SIZE;
    }else {
        validLen += addLen;
    }
    return 0;
}
// 从缓冲区内取出数据，buffer读取数据的buffer，len长度
int readRingBuffer(u8* buffer, u32 len)
{
    if (len > validLen) len = validLen;
    if (pValid + len > pTail) {  // 回卷
        int len1 = pTail - pValid;
        int len2 = len - len1;
        memcpy(buffer, pValid, len1);
        memcpy(buffer + len1, pHead, len2);
        pValid = pHead + len2;
    } else {
        memcpy(buffer, pValid, len);
        pValid = pValid + len;
    }
    validLen -= len;
    return len;
}