Memcached源码学习

Memcached源码学习

大致浏览了一下memcached的源码，但是并没有对相关的知识点进行总结和记录，所以很快就忘了，这次打算将memcached的源码再学习一遍，并进行总结归纳。

memcached模块化设计比较好，每个模块除了对外接口定义在头文件外，其它函数定义及实现都在源文件中，且定义为static类型，这样很好的降低了模块之间的耦合性。下面，浏览源码将按照功能模块进行划分，逐步学习总结。

memcached主要包括以下模块（不完全归纳）：

内存管理机制(slab)，hash，多线程及libevent事件处理机制，...

本文主要对memcached的内存管理机制进行总结，并画出相应的结构图，便于理解。

众所周知，简单的使用malloc和free，这样将产生大量的内存碎片，从而加重操作系统内存管理器的负担。memcached的内存管理机制采用了slab allocator内存分配和管理机制，以解决内存碎片问题。slab allocator基本原理是按照预先定义的大小，将内存分割为多种特定长度的trunk块，并将长度相同的trunk块归成slab组，每次请求内存时，采用最佳适应算法查询并获得一个trunk，用于保存item。

memcached中slab内存分配管理相关函数定义及实现源码全部集中在slabs.h和slabs.c中，slabs.h定义了外部模块内存操作的接口，包括的函数如下（其中最后2个函数与slab内存管理机制关联不大，后续不予讨论）：

// slabs_init：初始化slab内存管理，主要完成slabclass数组中每个slabclass_t中trunk大小(内存以CHUNK_ALIGN_BYTES=8字节对齐)及每个slab中trunk数量的初始化

// 参数 limit：运行时指定的memcached可用内存大小，0表示不限制大小

// 参数 factor：增长因子

// 参数 prealloc：表示是否预分配limit内存，true：则在函数内使用malloc预分配limit大小的内存

void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) ;

// slabs_clsid：返回size大小对应的slabclass索引clsid，即size大小的trunk将放入slabclass[clsid]中，0表示对象太大

unsigned int slabs_clsid(const size_t size) ;

// slabs_alloc：从slabclass[id]中分配一个size大小的trunk，错误时返回NULL(0)

void *slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) ;

// slabs_free：将ptr指向的大小为size的内存区域加入slabclass[id]的空闲内存块数组（freelist）中

void slabs_free(void *ptr, size_t size, unsigned int id) ;

// 调整slabclass[id]的requested值：requested = requested - old + ntotal

void slabs_adjust_mem_requested(unsigned int id, size_t old, size_t ntotal) ;

// 返回状态信息（）

bool get_stats(const char *stat_type, int nkey, ADD_STAT add_stats, void *c) ;

slabs.c中定义了memcached中slab allocator实现代码，下面首先介绍使用的数据结构，然后介绍相关的实现。

•数据结构

memcached定义slabclass数组用来管理内存：

slabclass_t slabclass[MAX_NUMBER_OF_SLAB_CLASSES];

memcached的slab内存管理机制最主要的数据结构为struct slabclass_t，定义如下：

2. typedef struct {  
4.     unsigned int size;      /* sizes of items */  
5.     unsigned int perslab;   /* how many items per slab */  
6.   
7.     void **slots;           /* list of item ptrs */  
8.     unsigned int sl_total;  /* size of previous array */  
9.     unsigned int sl_curr;   /* first free slot */  
10.   
11.     void *end_page_ptr;         /* pointer to next free item at end of page, or 0 */  
12.     unsigned int end_page_free; /* number of items remaining at end of last alloced page */  
13.   
14.     unsigned int slabs;     /* how many slabs were allocated for this class */  
15.   
16.     void **slab_list;       /* array of slab pointers */  
17.     unsigned int list_size; /* size of prev array */  
18.   
19.     unsigned int killing;  /* index+1 of dying slab, or zero if none */  
20.     size_t requested; /* The number of requested bytes */  
21. } slabclass_t;  

其中，size为slabclass_t中每个trunk的大小，perslab为每个slab包含的trunk数；

slots为memcached中空闲trunk块指针数组（或列表，以下使用数组），sl_total为已分配的slots数组大小，sl_curr为当前可用的slots数组索引；

slab_list为此slabclass_t中的slab指针数组，list_size为slab_list指针数组已分配的大小，slabs为当前已使用的slab_list指针数组数量，end_page_ptr和end_page_free分别为当前的slab中trunk的起始位置和trunk可用数量；

killing不确定，requested为已使用的内存大小。

memcached的slab数据结构如下图所示（图中实箭头表示指针，小箭头表示索引或数量）：

•实现介绍（函数介绍过程中，结合上图理解起来更容易）

下面将对主要的代码进行解析：

2. /* 
4.  * Figures out which slab class (chunk size) is required to store an item of 
5.  * a given size. 
6.  * 
7.  * Given object size, return id to use when allocating/freeing memory for object 
8.  * 0 means error: can't store such a large object 
9.  */  
10.   
11. unsigned int slabs_clsid(const size_t size) {  
12.     int res = POWER_SMALLEST;  
13.   
14.     if (size == 0)  
15.         return 0;  
16.     // 从后向前遍历slabclass数组，找到最适合放入size大小的slabclass_t的索引   
17.     while (size > slabclass[res].size)  
18.         if (res++ == power_largest)     /* won't fit in the biggest slab */  
19.             return 0;  
20.     return res;  
21. }  

 

1. /** 
2.  * Determines the chunk sizes and initializes the slab class descriptors 
3.  * accordingly. 
4.  */  
5. void slabs_init(const size_t limit, const double factor, const bool prealloc) {  
6.     int i = POWER_SMALLEST - 1;  
7.     unsigned int size = sizeof(item) + settings.chunk_size;    // 初始化trunk大小   
8.   
9.     mem_limit = limit;  
10.   
11.     // 指定为预分配内存，则一次行分配全部内存（limit大小）   
12.     if (prealloc) {  
13.         /* Allocate everything in a big chunk with malloc */  
14.         mem_base = malloc(mem_limit);  
15.         if (mem_base != NULL) {  
16.             mem_current = mem_base;  
17.             mem_avail = mem_limit;  
18.         } else {  
19.             fprintf(stderr, "Warning: Failed to allocate requested memory in"  
20.                     " one large chunk.\nWill allocate in smaller chunks\n");  
21.         }  
22.     }  
23.   
24.     memset(slabclass, 0, sizeof(slabclass));  
25.     // 初始化每个slabclass_t的trunk大小和每个slab中trunk数量   
26.     // slabclass中每个slabclass_t的trunk大小增长为factor倍   
27.     // 注意 i 从索引 1 开始   
28.     while (++i < POWER_LARGEST && size <= settings.item_size_max / factor) {  
29.         /* Make sure items are always n-byte aligned */  
30.         if (size % CHUNK_ALIGN_BYTES)                             // 内存8字节对齐   
31.             size += CHUNK_ALIGN_BYTES - (size % CHUNK_ALIGN_BYTES);  
32.   
33.         slabclass[i].size = size;  
34.         slabclass[i].perslab = settings.item_size_max / slabclass[i].size;  
35.         size *= factor;  
36.         if (settings.verbose > 1) {  
37.             fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",  
38.                     i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);  
39.         }  
40.     }  
41.   
42.     // slabclass中最后一个slabclass_t的trunk大小设置为最大item大小   
43.     power_largest = i;  
44.     slabclass[power_largest].size = settings.item_size_max;  
45.     slabclass[power_largest].perslab = 1;  
46.     if (settings.verbose > 1) {  
47.         fprintf(stderr, "slab class %3d: chunk size %9u perslab %7u\n",  
48.                 i, slabclass[i].size, slabclass[i].perslab);  
49.     }  
50.     ....// 省略   
51. }  

下面是我抓取的系统初始化trunk列表（CentOS6.0-64bit，memcached版本为1.4.7，factor默认为1.25）：

1. // 初始化或增大slab_list指针数组   
2. static int grow_slab_list (const unsigned int id) {  
3.     slabclass_t *p = &slabclass[id];  
4.     // slabclass_t中已经分配的slabs数量与slab指针数组的大小相同，表示已满,如<span style="color:#FF0000;">下图</span>所示   
5.     // 则，重新分配slab指针数组，指针数组增大为以前的2倍或初始化为16   
6.     if (p->slabs == p->list_size) {  
7.         size_t new_size =  (p->list_size != 0) ? p->list_size * 2 : 16;  
8.         void *new_list = realloc(p->slab_list, new_size * sizeof(void *));  
9.         if (new_list == 0) return 0;  
10.         p->list_size = new_size;  
11.         p->slab_list = new_list;  
12.     }  
13.     return 1;  
14. }  

1. // 初始化或重新分配一个slabclass[id]中的slab（每个slab包含perslab个trunk，每个trunk大小为size），<span style="color:#FF0000;">见下图</span>！   
2. static int do_slabs_newslab(const unsigned int id) {  
3.     slabclass_t *p = &slabclass[id];  
4.     int len = p->size * p->perslab; // 每个trunk的size * 每个slab中trunk数量   
5.     char *ptr;  
6.   
7.     // 第一次未分配时，p->slabs==0, mem_malloced==0   
8.     // 如果已经分配过，mem_malloced + len > mem_limit表示超过定义的内存   
9.     if ((mem_limit && mem_malloced + len > mem_limit && p->slabs > 0) ||  
10.         (grow_slab_list(id) == 0) ||  // 如果slabs指针数组满了或未初始化，   
11.                                       // 则增大slabs指针数组的大小(2倍或初始化为16)   
12.         ((ptr = memory_allocate((size_t)len)) == 0)) {  // 调用malloc分配len大小内存或调整当前指针(预分配时)   
13.   
14.         MEMCACHED_SLABS_SLABCLASS_ALLOCATE_FAILED(id);  
15.         return 0;  
16.     }  
17.   
18.     memset(ptr, 0, (size_t)len);  
19.     p->end_page_ptr = ptr;              // 当前slab可用trunk起始地址   
20.     p->end_page_free = p->perslab;      // 当前slab可用的trunk数量   
21.   
22.     p->slab_list[p->slabs++] = ptr;     // 将分配的slab(trunk列表)，放到slabs数组中   
23.     mem_malloced += len;  
24.     MEMCACHED_SLABS_SLABCLASS_ALLOCATE(id);  
25.   
26.     return 1;  
27. }      

 

1. /* 分配一个trunk数据结构，过程见<span style="color:#FF0000;">下图</span> */  
2. static void *do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id) {  
3.     slabclass_t *p;  
4.     void *ret = NULL;  
5.   
6.     // 索引非法   
7.     if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest) {  
8.         MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, 0);  
9.         return NULL;  
10.     }  
11.   
12.     p = &slabclass[id];  
13.     assert(p->sl_curr == 0 || ((item *)p->slots[p->sl_curr - 1])->slabs_clsid == 0);  
14.   
15. #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC   
16.     if (mem_limit && mem_malloced + size > mem_limit) {  
17.         MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);  
18.         return 0;  
19.     }  
20.     mem_malloced += size;  
21.     ret = malloc(size);  
22.     MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, 0, ret);  
23.     return ret;  
24. #endif   
25.   
26.     /* fail unless we have space at the end of a recently allocated page, 
27.        we have something on our freelist, or we could allocate a new page */  
28.     if (! (p->end_page_ptr != 0 || p->sl_curr != 0 ||  
29.            do_slabs_newslab(id) != 0)) {  
30.         /* We don't have more memory available */  
31.         ret = NULL;  
32.     } else if (p->sl_curr != 0) {       // freelist非空，优先从freelist分配   
33.         /* return off our freelist */  
34.         ret = p->slots[--p->sl_curr];  
35.     } else {                            // 刚分配的   
36.         /* if we recently allocated a whole page, return from that */  
37.         assert(p->end_page_ptr != NULL);  
38.         ret = p->end_page_ptr;  
39.         if (--p->end_page_free != 0) {  
40.             p->end_page_ptr = ((caddr_t)p->end_page_ptr) + p->size;  
41.         } else {  
42.             p->end_page_ptr = 0;  
43.         }  
44.     }  
45.   
46.     if (ret) {  
47.         p->requested += size;  
48.         MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);  
49.     } else {  
50.         MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);  
51.     }  
52.   
53.     return ret;  
54. }  

do_slabs_newslab函数初始化时，end_page_ptr指向slab的起始位置，end_page_free等于perslab；

do_slabs_alloc函数每次分配一个trunk(假设此时freelist为空)，则end_page_ptr指向下一位置，end_page_free减1，直到分配完毕；后续申请，则新建一个slab（do_slabs_newslab函数的ptr = memory_allocate((size_t)len)）。

初始化一个slab和分配trunk的过程图：

1. // 释放trunk结构(将其放入freelist指针数组)，结合“数据结构”部分图<span style="color:#333333;">可以更好的了解这个过程   
2. static void do_slabs_free(void *ptr, const size_t size, unsigned int id) {  
3.     slabclass_t *p;  
4.   
5.     assert(((item *)ptr)->slabs_clsid == 0);  
6.     assert(id >= POWER_SMALLEST && id <= power_largest);  
7.     if (id < POWER_SMALLEST || id > power_largest)  
8.         return;  
9.   
10.     MEMCACHED_SLABS_FREE(size, id, ptr);  
11.     p = &slabclass[id];  
12.   
13. #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC   
14.     mem_malloced -= size;  
15.     free(ptr);  
16.     return;  
17. #endif   
18.   
19.     // 增加freelist指针数组大小为2倍或初始化为16   
20.     if (p->sl_curr == p->sl_total) { /* need more space on the free list */  
21.         int new_size = (p->sl_total != 0) ? p->sl_total * 2 : 16;  /* 16 is arbitrary */  
22.         void **new_slots = realloc(p->slots, new_size * sizeof(void *));  
23.         if (new_slots == 0)  
24.             return;  
25.         p->slots = new_slots;  
26.         p->sl_total = new_size;  
27.     }  
28.     p->slots[p->sl_curr++] = ptr;   // 将ptr指向的trunk放入freelist指针数组   
29.     p->requested -= size;  
30.     return;  
31. } 

对于slabs_alloc和slabs_free只是使用slabs_lock互斥锁，控制多线程对临界区资源的访问，分别调用了上述的do_slabs_alloc和do_slabs_free函数，这里不做过多解释。

内存管理模块对其它模块的接口主要有：slabs_init、slabs_alloc、slabs_free和slabs_clsid。

slabs_init在main函数中初始化部分调用，slabs_clsid和slabs_alloc在do_item_alloc函数中，每次存入一个item申请内存时调用slabs_clsid获得item对应大小的slabclass_t的索引clsid，然后通过clsid调用slabs_alloc函数分配一个trunk（一个item保存在一个trunk中），slabs_free在item_free函数中，释放item时调用，将item所在的trunk放入slabclass[clsid]的空闲trunk块指针数组（slots）中。

到此，slab部分介绍完毕，有什么高见敬请指教。

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