003 高并发内存池_整体框架设计-编程知识

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文章目录

前言
- 一、ThreadCache整体框架设计
- 二、CentralCache整体框架设计
- 三、PageCache整体框架设计
小结

前言

在本文中，重点是向你介绍ThreadCache、CentralCache、PageCache三个结构是怎样设计的
这三个结构对于我们代码的撰写至关重要

一、ThreadCache整体框架设计

线程缓存结构主要是解决锁竞争的问题，只要当前threadcache有空间，就不会跟其它线程竞争锁，线程缓存是每一个线程独享的结构,线程申请和释放内存都在这个缓存中进行,只能用于小于256KB的内存分配.整个线程缓存结构是不用加锁的。
定长内存池只支持固定大小内存块的申请释放，因此定长内存池中只需要一个自由链表管理释放回来的内存块。现在我们要支持申请和释放不同大小的内存块，那么我们就需要多个自由链表来管理释放回来的内存块，因此threadcache实际上一个哈希桶结构，每个桶中存放的都是一个自由链表。

threadcache支持小于等于256KB内存的申请，如果我们将每种字节数的内存块都用一个自由链表进行管理的话，那么此时我们就需要20多万个自由链表，光是存储这些自由链表的头指针就需要消耗大量内存，这显然是得不偿失的。
这时我们可以选择做一些平衡的牺牲，让这些字节数按照某种规则进行对齐，例如我们让这些字节数都按照8字节进行向上对齐，那么threadcache的结构就是下面这样的，此时当线程申请1-8字节的内存时会直接给出8字节，而当线程申请9~16字节的内存时会直接给出16字节，以此类推
申请内存：

1、当内存申请size<=256KB，先获取到线程本地存储的thread cache对象，计算size映射的哈希桶自由链表下标i。
2、如果自由链表_freeLists[i]中有对象，则直接Pop一个内存对象返回。
3、如果_freeLists[i]中没有对象时，则批量从central cache中获取一定数量的对象，插入到自由链表并返回一个对象。

释放内存：

1、当释放内存小于256k时将内存释放回thread cache，计算size映射自由链表桶位置i，将对象Push到_freeLists[i]。
2、当链表的长度过长，则回收一部分内存对象到central cache。

二、CentralCache整体框架设计

当线程申请某一大小的内存时，如果threadcache中对应的自由链表不为空，那么直接取出一个内存块进行返回即可，但如果此时该自由链表为空，那么这时threadcache就需要向central cache申请内存了。
central cache的结构与threadcache是一样的，它们都是哈希桶的结构，并且它们遵循的对齐映射规则都是一样的，八字节为一个桶，不同的是，在CentralCache中，比如8Byte这个桶中装的是一个个Span，每个span管理的都是一个以页为单位的大块内存，每个桶里面的若干span是按照双链表的形式链接起来的，并且每个span里面还有一个自由链表，这个自由链表里面挂的就是一个个切好了的内存块，根据其所在的哈希桶这些内存块被切成了对应的大小。这样做的好处就是，当threadcache的某个桶中没有内存了，就可以直接到central cache中对应的哈希桶里去取内存就行了。

在这里插入图片描述
申请内存：

1、当thread cache中没有内存时，就会批量向central cache申请一些内存对象，这里的批量获取对象的数量使用了类似网络tcp协议拥塞控制的慢开始算法；central cache也有一个哈希映射的
2、spanlist，spanlist中挂着span，从span中取出对象给thread cache，这个过程是需要加锁的，不过这里使用的是一个桶锁，尽可能提高效率。 central cache映射的spanlist中所有span的都没有内存以后，则需要向pagecache申请一个新的 span对象，拿到span以后将span管理的内存按大小切好作为自由链表链接到一起。然后从span中取对象给thread cache。
3、centralcache的中挂的span中use_count记录分配了多少个对象出去，分配一个对象给thread cache，就++use_count

释放内存：

1、当thread_cache过长或者线程销毁，则会将内存释放回central cache中的，释放回来时-use_count。当use_count减到0时则表示所有对象都回到了span，则将span释放回page cache，pagecache中会对前后相邻的空闲页进行合并。

三、PageCache整体框架设计

页缓存是在central cache缓存上面的一层缓存，存储的内存是以页为单位存储及分配的，centralcache没有内存对象时，从page cache分配出一定数量的page，并切割成定长大小的小块内存，分配给centralcache。central cache的映射规则与thread cache保持一致，而page cache的映射规则与它们都不相同。pagecache的哈希桶映射规则采用的是直接定址法，比如1号桶挂的都是1页的span，2号桶挂的都是2页的span，以此类推

在这里插入图片描述

至于page cache当中究竟有多少个桶，这就要看你最大想挂几页的span了，这里我们就最大挂128页的span，为了让桶号与页号对应起来，我们可以将第0号桶空出来不用，因此我们需要将哈希桶的个数设置为129。

为什么这里最大挂128页的span呢？因为线程申请单个对象最大是256KB，而128页可以被切成4个256KB的对象，因此是足够的。当然，如果你想在page cache中挂更大的span也是可以的，根据具体的需求进行设置就行了

申请内存：

1、当central cache向page cache申请内存时，page cache先检查对应位置有没有span，如果没有则向更大页寻找一个span，如果找到则分裂成两个。比如：申请的是4页page，4页page后面没有挂span，则向后面寻找更大的span，假设在10页page位置找到一个span，则将10页page span分裂为一个4页pagespan和一个6页page span。
2、如果找到_spanList[1,128]都没有合适的span，则向系统使用mmap、brk或者是VirtualAlloc等方式申请128页page span挂在自由链表中，再重复1中的过程。
3、需要注意的是central cache和page cache的核心结构都是spanlist的哈希桶，但是他们是有本质区别的，central cache中哈希桶，是按跟threadcache一样的大小对齐关系映射的，他的spanlist 中挂的span中的内存都被按映射关系切好链接成小块内存的自由链表。而pagecache中的spanlist则是按下标桶号映射的，也就是说第i号桶中挂的span都是i页内存。

释放内存：