NGINX原理 之 SLAB分配机制

• 作者：邹祁峰
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• 日期：2013.09.15 23:19
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1 引言

  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

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，这样将造成运行的时间越长，要申请到超过一页大小的空间也会变得越来越难。正是因为这个原因，所以slab机制不适合用来反复分配和回收超过一页大小的内存空间。如下图所示：[切记:slab机制不适合用来反复分配和回收超过一页大小的内存空间]

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