【性能优化】高效内存池的设计与实现
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2021-12-28 00:56
在之前的文章中，我们分析了glibc内存管理相关的内容，里面的是不是逻辑复杂😁，毕竟咱们用几十行代码完成的功能，glibc要用上百乃至上千行代码来实现，毕竟它的受众太多了，需要考虑跨平台，各种边界条件等。
其实，glibc的内存分配库ptmalloc也可以看做是一个内存池，出于性能考虑，每次内存申请都是先从ptmalloc中进行分配，如果没有合适的则通过系统分配函数进行申请；在释放的时候，也是将被释放内存先方式内存池中，内存池根据一定的策略，来决定是否进行shrink以归还OS。
那么，现一个内存池？我们该怎么实现呢？今天，借助这篇文章，我们一起来设计和实现一个内存池(文末附有github地址)。
背景
首先需要说明的是，该内存池是笔者在10年前完成的，下面先说下当时此项目的背景。
09年，在某所的时候，参与了某个国家级项目，该项目是防DDOS攻击相关，因此更多的是跟IP相关，所以每次分配和释放内存都是固定大小，经过测试，性能不是很满意，所以，经过代码分析以及性能攻击分析，发现里面有大量的malloc/free，所以，当时就决定是否从malloc/free入手，能否优化整个项目的性能。
所以，决定实现一个Memory Pool，在做了调研以及研究了相关论文后，决定实现一个内存池，先试试水，所幸运的是，性能确实比glibc自带的malloc/free要高，所以也就应用于项目上了。
❝本文所讲的Memory Pool为C语言实现，旨在让大家都能看懂，看明白(至少能够完全理解本文所讲的Memory Pool的实现原理)。
❞
概念
首先，我们介绍下什么是内存池？
❝预先在内存中申请一定数量的内存块留作备用，当有新的内存需求时，就先从内存池中分配内存返回，在释放的时候，将内存返回给内存池而不是OS，在下次申请的时候，重新进行分配
❞
那么为什么要有内存池呢？这就需要从传统内存分配的特点来进行分析，传统内存分配释放的优点无非就是 通用性强，应用广泛，但是传统的内存分配、释放在某些特定的项目中，其不一定是最优、效率最高的方案。
传统内存分配、释放的缺点总结如下：
1、调用malloc/new,系统需要根据“最先匹配”、“最优匹配”或其他算法在内存空闲块表中查找一块空闲内存，调用free/delete,系统可能需要合并空闲内存块，这些会产生额外开销
2、频繁的在堆上申请和释放内存必然需要大量时间，降低了程序的运行效率。对于一个需要频繁申请和释放内存的程序来说，频繁调用new/malloc申请内存，delete/free释放内存都需要花费系统时间，频繁的调用必然会降低程序的运行效率。
3、经常申请小块内存，会将物理内存“切”得很碎，导致内存碎片。申请内存的顺序并不是释放内存的顺序，因此频繁申请小块内存必然会导致内存碎片，造成“有内存但是申请不到大块内存”的现象。
从上图中，可以看出，应用程序会调用glibc运行时库的malloc函数进行内存申请，而malloc函数则会根据具体申请的内存块大小，根据实际情况最终从sys_brk或者sys_mmap_pgoff系统调用申请内存，而大家都知道，跟os打交道，_性能损失_是毋庸置疑的。
其次，glibc作为通用的运行时库，malloc/free需要满足各种场景需求，比如申请的字节大小不一，多线程访问等。
没有比传统malloc/free性能更优的方案呢？
答案是：有。
在程序启动的时候，我们预分配特定数量的固定大小的块，这样每次申请的时候，就从预分配的块中获取，释放的时候，将其放入预分配块中以备下次复用，这就是所谓的_内存池技术_，每个内存池对应特定场景，这样的话，较传统的传统的malloc/free少了很多复杂逻辑，性能显然会提升不少。
结合传统malloc/free的缺点，我们总结下使用内存池方案的优点：
1、比malloc/free进行内存申请/释放的方式快
2、不会产生或很少产生堆碎片
3、可避免内存泄漏
分类
根据分配出去的字节大小是否固定，分为 固定大小内存池 和 可变大小内存池 两类。
而可变大小内存池，可分配任意大小的内存池，比如ptmalloc、jemalloc以及google的tcmalloc。
固定大小内存池，顾名思义，每次申请和释放的内存大小都是固定的。每次分配出去的内存块大小都是程序预先定义的值，而在释放内存块时候，则简单的挂回内存池链表即可。
❝本文主要讲的是固定大小的内存池。
❞
原理
内存池，重点在”池“字上，之所以称之为内存池，是在真正使用之前，先预分配一定数量、大小预设的块，如果有新的内存需求时候，就从内存池中根据申请的内存大小，分配一个内存块，若当前内存块已经被完全分配出去，则继续申请一大块，然后进行分配。
当进行内存块释放的时候，则将其归还内存池，后面如果再有申请的话，则将其重新分配出去。
上图是本文所要设计的结构图，下面在具体的设计之前，我们先讲下本内存池的原理：
创建并初始化头结点MemoryPool 通过MemoryPool进行内存分配，如果发现MemoryPool所指向的第一块MemoryBlock或者现有MemoryPool没有空闲内存块，则创建一个新的MemoryBlock初始化之后将其插入MemoryPool的头 在内存分配的时候，遍历MemoryPool中的单链表MemoryBlock，根据地址判断所要释放的内存属于哪个MemoryBlock，然后根据偏移设置MemoryBlock的第一块空闲块索引，同时将空闲块个数+1
上述只是一个简单的逻辑讲解，比较宏观，下面我们将通过图解和代码的方式来进行讲解。
设计
在上图中，我们画出了内存池的结构图，从图中，可以看出，有两个结构变量，分别为MemoryPool和MemoryBlock。
下面我们将从数据结构和接口两个部分出发，详细讲解内存池的设计。
数据结构
MemoryBlock
本文中所讲述的内存块的分配和释放都是通过该结构进行操作，下面是MemoryBlock的示例图：
在上图中，Header存储该MemoryBlock的内存块情况，比如可用的内存块索引、当前MemoryBlock中可用内存块的个数等等。
定义如下所示：
struct MemoryBlock {
unsigned int size;
unsigned int free_size;
unsigned int first_free;
struct MemoryBlock *next;
char a_data[0];
};
其中：
size为MemoryBlock下内存块的个数 free_size为MemoryBlock下空闲内存块的个数 first_free为MemoryBlock中第一个空闲块的索引 next指向下一个MemoryBlock a_data是一个柔性数组
❝柔性数组即数组大小待定的数组， C语言中结构体的最后一个元素可以是大小未知的数组，也就是所谓的0长度，所以我们可以用结构体来创建柔性数组。
它的主要用途是为了满足需要变长度的结构体，为了解决使用数组时内存的冗余和数组的越界问题。
❞
MemoryPool
MemoryPool为内存池的头，里面定义了该内存池的信息，比如本内存池分配的固定对象的大小，第一个MemoryBlock等
struct MemoryPool {
unsigned int obj_size;
unsigned int init_size;
unsigned int grow_size;
MemoryBlock *first_block;
};
其中：
obj_size为内存池分配的固定内存块的大小 init_size初始化内存池时候创建的内存块的个数 grow_size当初始化内存块使用完后，再次申请内存块时候的个数 first_block指向第一个MemoryBlock
接口
memory_pool_create
MemoryPool *memory_pool_create(unsigned int init_size,
unsigned int grow_size,
unsigned int size);
本函数用来创建一个MemoryPool，并对其进行初始化，下面是参数说明：
init_size 表示第一个MemoryBlock中创建块的个数 grow_size 表示当MemoryPool中没有空闲块可用，则创建一个新的MemoryBlock时其块的个数 size 为块的大小(即每次分配相同大小的固定size)
memory_alloc
void *memory_alloc(MemoryPool *mp);
本函数用了从mp中申请一块内存返回
mp 为MemoryPool类型指针，即内存池的头 如果内存分配失败，则返回NULL
memory_free
void* memory_free(MemoryPool *mp, void *pfree);
本函数用来释放内存
mp 为MemoryPool类型指针，即内存池的头 pfree 为要释放的内存
free_memory_pool
void free_memory_pool(MemoryPool *mp);
本函数用来释放内存池
实现
在讲解整个实现之前，我们先看先内存池的详细结构图。
初始化内存池
MemoryPool是整个内存池的入口结构，该函数主要是用来创建MemoryPool对象，并使用参数对其内部的成员变量进行初始化。
函数定义如下:
MemoryPool *memory_pool_create(unsigned int init_size, unsigned int grow_size, unsigned int size)
{
MemoryPool *mp;
mp = (MemoryPool*)malloc(sizeof(MemoryPool));
mp->first_block = NULL;
mp->init_size = init_size;
mp->grow_size = grow_size;
if(size < sizeof(unsigned int))
mp->obj_size = sizeof(unsigned int);
mp->obj_size = (size + (MEMPOOL_ALIGNMENT-1)) & ~(MEMPOOL_ALIGNMENT-1);
return mp;
}
内存分配
void *memory_alloc(MemoryPool *mp) {
unsigned int i;
unsigned int length;
if(mp->first_block == NULL) {
MemoryBlock *mb;
length = (mp->init_size)*(mp->obj_size) + sizeof(MemoryBlock);
mb = malloc(length);
if(mb == NULL) {
perror("memory allocate failed!\n");
return NULL;
}
/* init the first block */
mb->next = NULL;
mb->free_size = mp->init_size - 1;
mb->first_free = 1;
mb->size = mp->init_size*mp->obj_size;
mp->first_block = mb;
char *data = mb->a_data;
/* set the mark */
for(i=1; iinit_size; ++i) {
*(unsigned long *)data = i;
data += mp->obj_size;
}
return (void *)mb->a_data;
}
MemoryBlock *pm_block = mp->first_block;
while((pm_block != NULL) && (pm_block->free_size == 0)) {
pm_block = pm_block->next;
}
if(pm_block != NULL) {
char *pfree = pm_block->a_data + pm_block->first_free * mp->obj_size;
pm_block->first_free = *((unsigned long *)pfree);
pm_block->free_size--;
return (void *)pfree;
} else {
if(mp->grow_size == 0)
return NULL;
MemoryBlock *new_block = (MemoryBlock *)malloc((mp->grow_size)*(mp->obj_size) + sizeof(MemoryBlock));
if(new_block == NULL)
return NULL;
char *data = new_block->a_data;
for(i=1; igrow_size; ++i) {
*(unsigned long *)data = i;
data += mp->obj_size;
}
new_block->size = mp->grow_size*mp->obj_size;
new_block->free_size = mp->grow_size-1;
new_block->first_free = 1;
new_block->next = mp->first_block;
mp->first_block = new_block;
return (void *)new_block->a_data;
}
}
内存块主要在MemoryBlock结构中，也就是说申请的内存，都是从MemoryBlock中进行获取，流程如下：
获取MemoryPool中的first_block指针 如果该指针为空，则创建一个MemoryBlock，first_block指向新建的MemoryBlock，并返回 否则，从first_block进行单链表遍历，查找第一个free_size不为0的MemoryBlock，如果找到，则对该MemoryBlock的相关参数进行设置，然后返回内存块 否则，创建一个新的MemoryBlock，进行初始化分配之后，将其插入到链表的头部(这样做的目的是为了方便下次分配效率，即减小了链表的遍历)
在上述代码中，需要注意的是第30-33行或者67-70行，这两行的功能一样，都是对新申请的内存块进行初始化，这几行的意思，是要将空闲块连接起来，但是，并没有使用传统意义上的链表方式，而是通过index方式进行连接，具体如下图所示：
在上图中，第0块空闲块的下一个空闲块索引为1，而第1块空闲块的索引为2，依次类推，形成了如下链表方式
❝1->2->3->4->5
❞
内存分配流程图如下所示：
内存释放
void* memory_free(MemoryPool *mp, void *pfree) {
if(mp->first_block == NULL) {
return;
}
MemoryBlock *pm_block = mp->first_block;
MemoryBlock *pm_pre_block = mp->first_block;
/* research the MemoryBlock which the pfree in */
while(pm_block && ((unsigned long)pfree < (unsigned long)pm_block->a_data ||
(unsigned long)pfree>((unsigned long)pm_block->a_data+pm_block->size))) {
//pm_pre_block = pm_block;
pm_block = pm_block->next;
if(pm_block == NULL) {
return pfree;
}
}
unsigned int offset = pfree -(void*) pm_block->a_data;
if((offset&(mp->obj_size -1)) > 0) {
return pfree;
}
pm_block->free_size++;
*((unsigned int *)pfree) = pm_block->first_free;
pm_block->first_free=(unsigned int)(offset/mp->obj_size);
return NULL;
}
内存释放过程如下：
判断当前MemoryPool的first_block指针是否为空，如果为空，则返回
否则，遍历MemoryBlock链表，根据所释放的指针参数判断是否在某一个MemoryBlock中
如果找到，则对MemoryBlock中的各个参数进行操作，然后返回
否则，没有合适的MemoryBlock，则表明该被释放的指针不在内存池中，返回
在上述代码中，需要注意第20-29行。
第20行，求出被释放的内存块在MemoryBlock中的偏移 第22行，判断是否能被整除，即是否在这个内存块中，算是个double check 第26行，将该MemoryBlock中的空闲块个数加1 第27-29行，类似于链表的插入，将新释放的内存块的索引放入链表头，而其内部的指向下一个可用内存块
现在举个例子，以便于理解，假设在一开始有5个空闲块，其中前三个空闲块都分配出去了，那么此时，空闲块链表如下:
❝4->5，其中first_free = 4
❞
然后在某一个时刻，第1块释放了，那么释放归还之后，如下:
❝1->4->5，其中first_free = 1
❞
内存释放流程图如下：
释放内存池
void free_memory_pool(MemoryPool *mp) {
MemoryBlock *mb = mp->first_block;
if(mb != NULL) {
while(mb->next != NULL) {
s_memory_block *delete_block = mb;
mb = mb->next;
free(delete_block);
}
free(mb);
}
free(mp);
}
上图是一个完整的分配和释放示意图，下面，我结合代码来分析：
(a)步，创建了一个MemoryPool结构体 obj_size = 4代表本内存池分配的内存块大小为4 init_size = 5代表创建内存池的时候，第一块MemoryBlock的空闲内存块个数为5 grow_size = 5代表当申请内存的时候，如果没有空闲内存，则创建的新的MemoryBlock的空闲内存块个数为5 (b)步，分配出去一块内存 此时，free_size即该MemoryBlock中可用空闲块个数为4 first_free = 1，代表将内存块分配出去之后，下一个可用的内存块的index为1 (c)步，分配出去一块内存 此时，free_size即该MemoryBlock中可用空闲块个数为3 first_free = 2，代表将内存块分配出去之后，下一个可用的内存块的index为2 (d)步，分配出去一块内存 此时，free_size即该MemoryBlock中可用空闲块个数为2 first_free = 3，代表将内存块分配出去之后，下一个可用的内存块的index为3 (e)步，分配出去一块内存 此时，free_size即该MemoryBlock中可用空闲块个数为1 first_free = 4，代表将内存块分配出去之后，下一个可用的内存块的index为4 (f)步，释放第1个内存块 将free_size进行+1操作 fire_free值为此次释放的内存块的索引，而释放的内存块的索引里面的值则为之前first_free的值(此处释放用的前差法) (g)步，释放第3个内存块 将free_size进行+1操作 fire_free值为此次释放的内存块的索引，而释放的内存块的索引里面的值则为之前first_free的值(此处释放用的前差法) (h)步，释放第3个内存块 将free_size进行+1操作 fire_free值为此次释放的内存块的索引，而释放的内存块的索引里面的值则为之前first_free的值(此处释放用的前差法)
测试
测试代码如下:
#include "memory_pool.h"
#include
#include
#include
int main() {
MemoryPool *mp = memory_pool_create(8);
struct timeval start;
struct timeval end;
int t[] = {20000, 40000, 80000, 100000, 120000, 140000, 160000, 180000, 200000};
int s = sizeof(t)/sizeof(int);
for (int i = 0; i < s; ++i) {
gettimeofday(&start, NULL);
for (int j = 0; j < t[i]; ++j) {
void *p = memory_alloc(mp);
memory_free(mp, p);
//
//void *p = malloc(8);
//free(p);
}
gettimeofday(&end, NULL);
long cost = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) +
end.tv_usec - start.tv_usec;
printf("%ld\n",cost);
}
free_memory_pool(mp);
return 0;
}
数据对比如下：
从上图可以看出，pool的分配效率高于传统的malloc方式，性能提高接近100%
❝本测试结果仅针对当时的项目，对其他测试case不具有普遍性
❞
扩展
在文章前面，我们有提过本内存池是_单线程、固定大小的_，但是往往这种还是不能满足要求，如下几个场景
单线程多固定大小 多线程固定大小 多线程多固定大小
❝多固定大小，指的是提前预支需要申请的内存大小
❞
单线程多固定大小: 针对此场景，由于已经预知了所申请的size，所以可以针对每个size创建一个内存池
多线程固定大小：针对此场景，有以下两个方案
使用ThreadLocalCache 每个线程创建一个内存池 使用加锁，操作全局唯一内存池(每次加锁解锁耗时100ns左右)
多线程多固定大小：针对此场景，可以结合上述两个方案，即
使用ThreadCache，每个线程内创建多固定大小的内存池 每个线程内创建一个多固定大小的内存池 使用加锁，操作全局唯一内存池(每次加锁解锁耗时100ns左右)
❝上述几种方案，仅仅是在使用固定大小内存池基础上进行的扩展，具体的方案，需要根据具体情况来具体分析
❞
结语
本文主要讲了固定大小内存池的实现方式，因为实现方案的局限性，此内存池设计方案仅适用于每次申请都是特定大小的场景。虽然在扩展部分做了部分思维发散，但因为未做充分的数据对比，所以仅限于思维扩散。
目前，开源的内存分配库很多，比较优秀的有谷歌的tcmalloc以及微软的mimalloc，大家可以根据自己项目的需求场景，选择合适的内存分配库。
今天的文章就到这里，下期见。
❝本文所讲的内存池源码地址：
https://github.com/namelij/fixedsize_memorypool
别忘了给个star哦😁
❞