摘要：而對于堆內(nèi)存，通常需要程序員進行管理。二內(nèi)存池管理說明本部分使用的版本為具體源碼參見文件實現(xiàn)使用流程內(nèi)存池的使用較為簡單可以分為步，調(diào)用函數(shù)獲取指針。將內(nèi)存塊按照的整數(shù)次冪進行劃分最小為最大為。

運營研發(fā)團隊 施洪寶

應用程序的內(nèi)存可以簡單分為堆內(nèi)存，棧內(nèi)存。對于棧內(nèi)存而言，在函數(shù)編譯時，編譯器會插入移動棧當前指針位置的代碼，實現(xiàn)?？臻g的自管理。而對于堆內(nèi)存，通常需要程序員進行管理。我們通常說的內(nèi)存管理亦是只堆空間內(nèi)存管理。

對于內(nèi)存，我們的使用可以簡化為3步，申請內(nèi)存、使用內(nèi)存、釋放內(nèi)存。申請內(nèi)存，使用內(nèi)存通常需要程序員顯示操作，釋放內(nèi)存卻并不一定需要程序員顯示操作，目前很多的高級語言提供了垃圾回收機制，可以自行選擇時機釋放內(nèi)存，例如: Go、Java已經(jīng)實現(xiàn)垃圾回收, C語言目前尚未實現(xiàn)垃圾回收，C++中可以通過智能指針達到垃圾回收的目的。

除了語言層面的內(nèi)存管理外，有時我們需要在程序中自行管理內(nèi)存，總體而言，對于內(nèi)存管理，我認為主要是解決以下問題:

用戶申請內(nèi)存時，如何快速查找到滿足用戶需求的內(nèi)存塊？

用戶釋放內(nèi)存時，如何避免內(nèi)存碎片化？

無論是語言層面實現(xiàn)的內(nèi)存管理還是應用程序自行實現(xiàn)的內(nèi)存管理，大都將內(nèi)存按照大小分為幾種，每種采用不同的管理模式。常見的分類是按照2的整數(shù)次冪分，將不同種類的內(nèi)存通過鏈表鏈接，查詢時，從相應大小的鏈表中尋找，如果找不到，則可以考慮從更大塊內(nèi)存中，拿取一塊，將其分為多個小點的內(nèi)存。當然，對于特別大的內(nèi)存，語言層面的內(nèi)存管理可以直接調(diào)用內(nèi)存管理相關的系統(tǒng)調(diào)用，應用層面的內(nèi)存管理則可以直接使用語言層面的內(nèi)存管理。

nginx內(nèi)存管理整體可以分為2個部分，

第一部分是常規(guī)的內(nèi)存池，用于進程平時所需的內(nèi)存管理；

第二部分是共享內(nèi)存的管理。總體而言，共享內(nèi)存教內(nèi)存池要復雜的多。

本部分使用的nginx版本為1.15.3

具體源碼參見src/core/ngx_palloc.c文件

nginx內(nèi)存池的使用較為簡單,可以分為3步，

調(diào)用ngx_create_pool函數(shù)獲取ngx_pool_t指針。

//size代表ngx_pool_t一塊的大小
ngx_pool_t* ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)

調(diào)用ngx_palloc申請內(nèi)存使用

//從pool中申請size大小的內(nèi)存
void* ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)

釋放內(nèi)存(可以釋放大塊內(nèi)存或者釋放整個內(nèi)存池)

//釋放從pool中申請的大塊內(nèi)存
ngx_int_t ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
//釋放整個內(nèi)存池
void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)

如下圖所示，nginx將內(nèi)存分為2種，一種是小內(nèi)存，一種是大內(nèi)存，當申請的空間大于pool->max時，我們認為是大內(nèi)存空間，否則是小內(nèi)存空間。

//創(chuàng)建內(nèi)存池的參數(shù)size減去頭部管理結(jié)構(gòu)ngx_pool_t的大小
pool->max = size - sizeof(ngx_pool_t);

對于小塊內(nèi)存空間, nginx首先查看當前內(nèi)存塊待分配的空間中，是否能夠滿足用戶需求，如果可以，則直接將這部分內(nèi)存返回。如果不能滿足用戶需求，則需要重新申請一個內(nèi)存塊，申請的內(nèi)存塊與當前塊空間大小相同，將新申請的內(nèi)存塊通過鏈表鏈接到上一個內(nèi)存塊，從新的內(nèi)存塊中分配用戶所需的內(nèi)存。

小塊內(nèi)存并不釋放，用戶申請后直接使用，即使后期不再使用也不需要釋放該內(nèi)存。由于用戶有時并不知道自己使用的內(nèi)存塊是大是小，此時也可以調(diào)用ngx_pfree函數(shù)釋放該空間，該函數(shù)會從大空間鏈表中查找內(nèi)存，找到則釋放內(nèi)存。對于小內(nèi)存而言，并未做任何處理。

對于大塊內(nèi)存, nginx會將這些內(nèi)存放到鏈表中存儲，通過pool->large進行管理。值得注意的是，用戶管理大內(nèi)存的ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)是從本內(nèi)存池的小塊內(nèi)存中申請而來，也就意味著無法釋放這些內(nèi)存，nginx則是直接復用ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)體。當用戶需要申請大內(nèi)存空間時，利用c函數(shù)庫malloc申請空間，然后將其掛載某個ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)體上。nginx在需要一個新的ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)時，會首先pool->large鏈表的前3個元素中，查看是否有可用的,如果有則直接使用，否則新建ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)。

本部分使用的nginx版本是1.15.3

本部分源碼詳見src/core/ngx_slab.c, src/core/ngx_shmtx.c

nginx共享內(nèi)存內(nèi)容相對較多，本文僅做簡單概述。

nginx中需要創(chuàng)建互斥鎖，用于后面多進程同步使用。除此之外，nginx可能需要一些統(tǒng)計信息，例如設置(stat_stub),對于這些變量，我們并不需要特意管理，只需要開辟共享空間后，直接使用即可。

設置stat_stub后所需的統(tǒng)計信息，亦是放到共享內(nèi)存中，我們此處僅以nginx中的互斥鎖進行說明。

nginx互斥鎖，有兩種方案，當系統(tǒng)支持原子操作時，采用原子操作，不支持時采用文件鎖。本節(jié)源碼見ngx_event_module_init函數(shù)。

下圖為文件鎖實現(xiàn)互斥鎖的示意圖。

下圖為原子操作實現(xiàn)互斥鎖的示意圖。

問題

reload時，新啟動的master向老的master發(fā)送信號后直接退出，舊的master,重新加載配置(ngx_init_cycle函數(shù)), 新創(chuàng)建工作進程, 新的工作進程與舊的工作進程使用的鎖是相同的。
平滑升級時, 舊的master會創(chuàng)建新的master, 新的master會繼承舊的master監(jiān)聽的端口(通過環(huán)境變量傳遞監(jiān)聽套接字對應的fd)，新的進程并沒有重新綁定監(jiān)聽端口。可能存在新老worker同時監(jiān)聽某個端口的情況，此時操作系統(tǒng)會保證只會有一個進程處理該事件(雖然epoll_wait都會被喚醒)。

nginx允許各個模塊開辟共享空間以供使用,例如ngx_http_limit_conn_module模塊。

nginx共享內(nèi)存管理的基本思想有:

將內(nèi)存按照頁進行分配，每頁的大小相同, 此處設為page_size。
將內(nèi)存塊按照2的整數(shù)次冪進行劃分, 最小為8bit, 最大為page_size/2。例如，假設每頁大小為4Kb, 則將內(nèi)存分為8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048共9種，每種對應一個slot, 此時slots數(shù)組的大小n即為9。申請小塊內(nèi)存(申請內(nèi)存大小size <= page_size/2)時，直接給用戶這9種中的一種，例如，需要30bit時，找大小為32的內(nèi)存塊提供給用戶。
每個頁只會劃分一種類型的內(nèi)存塊。例如，某次申請內(nèi)存時，現(xiàn)有內(nèi)存無法滿足要求，此時會使用一個新的頁，則這個新頁此后只會分配這種大小的內(nèi)存。
通過雙向鏈表將所有空閑的頁連接。圖中ngx_slab_pool_t中的free變量即使用來鏈接空閑頁的。
通過slots數(shù)組將所有小塊內(nèi)存所使用的頁鏈接起來。
對于大于等于頁面大小的空間請求，計算所需頁數(shù)，找到連續(xù)的空閑頁，將空閑頁的首頁地址返回給客戶使用，通過每頁的管理結(jié)構(gòu)ngx_slab_page_t進行標識。
所有頁面只會有3中狀態(tài)，空閑、未滿、已滿?？臻e，未滿都是通過雙向鏈表進行整合，已滿頁面則不存在與任何頁面，當空間被釋放時，會將其加入到某個鏈表。

nginx共享內(nèi)存的基本結(jié)構(gòu)圖如下:

在上圖中，除了最右側(cè)的ngx_slab_pool_t接口開始的一段內(nèi)存位于共享內(nèi)存區(qū)外，其他內(nèi)存都不是共享內(nèi)存。

共享內(nèi)存最終是從page中分配而來。