[置顶] NGINX原理分析之SLAB分配机制

一、基础概述

如果使用伙伴系统分配和释放算法，不仅会造成大量的内存碎片，同时处理效率也比较低。SLAB是一种内存管理机制，其核心思想是预分配。SLAB是将空间按照SIZE对内存进行分类管理的，当申请一块大小为size的内存时，SLAB分配器就从size集合中分配一个单元出去，当释放一个大小为size的内存时，则将其放回到size集合中去，但不是返回给操作系统。当又要申请一个size的内存时，可以重复上面的处理，从而避免了内存碎片的产生。[注：因SLAB处理过程中，涉及的细节太多，在此只是做一个原理上的分析]

二、总体结构

图1 SLAB内存结构

三、处理流程

    如图1中所示：SLAB机制管理内存时，其将内存大体上分为SLAB头、SLOT数组、PAGES数组、可分配空间、浪费的空间。以下将对各内存块的作用和处理过程做详细的分析。

3.1 初始化流程

    头部汇总了SLAB内存管理机制的基础数据，这些基础数据是内存分配、地址计算等处理的依据，SLAB头结构体如代码1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;          /* 可分配空间的结束地址 */

    ...                             /* 其他变量成员（省略） */
}ngx_slab_pool_t

代码1 SLAB头部结构体

初始化过程中，对如下数据进行处理：

①、SLOT数组：计算SLOT数组长度、并设置数组成员变量初始数据；

②、PAGES数组：计算PAGES数组长度、并设置数组成员的变量初始数据；

③、可分配空间：按照每页4K的大小，计算可分配空间的页数，不足一页（4K）的空间将会被舍弃；

④、SLAB头：设置其成员变量，如图1中指针所示，其中成员变量free将会指向可分配空间的首地址。

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，如下图所示：

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数组长度N为8，各成员依次负责8（1~8）、16（9~16）、32（17~32）、64（33~64）、128（65~128）、256（129~256）、512（257~512）、1023（513~1023）字节内存块的分配和回收。

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7 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8 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9 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10 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11 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12 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13 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14 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15 释放单元

—— 邹祁峰

2013.09.15 23:39