性能優化-記憶體池的設計和實現

  • 2021 年 12 月 2 日
  • 筆記

大家好，我是雨樂！

在之前的文章中，我們分析了glibc記憶體管理相關的內容，裡面的是不是邏輯複雜😁，畢竟咱們用幾十行程式碼完成的功能，glibc要用上百乃至上千行程式碼來實現，畢竟它的受眾太多了，需要考慮跨平台，各種邊界條件等。

其實，glibc的記憶體分配庫ptmalloc也可以看做是一個記憶體池，出於性能考慮，每次記憶體申請都是先從ptmalloc中進行分配，如果沒有合適的則通過系統分配函數進行申請；在釋放的時候，也是將被釋放記憶體先方式記憶體池中，記憶體池根據一定的策略，來決定是否進行shrink以歸還OS。

那麼，現一個記憶體池？我們該怎麼實現呢？今天，藉助這篇文章，我們一起來設計和實現一個記憶體池(文末附有github地址)。

背景

首先需要說明的是，該記憶體池是筆者在10年前完成的，下面先說下當時此項目的背景。

09年，在某所的時候，參與了某個國家級項目，該項目是防DDOS攻擊相關，因此更多的是跟IP相關，所以每次分配和釋放記憶體都是固定大小，經過測試，性能不是很滿意，所以，經過程式碼分析以及性能攻擊分析，發現裡面有大量的malloc/free，所以，當時就決定是否從malloc/free入手，能否優化整個項目的性能。

所以，決定實現一個Memory Pool，在做了調研以及研究了相關論文後，決定實現一個記憶體池，先試試水，所幸運的是，性能確實比glibc自帶的malloc/free要高，所以也就應用於項目上了。

❝

本文所講的Memory Pool為C語言實現，旨在讓大家都能看懂，看明白(至少能夠完全理解本文所講的Memory Pool的實現原理)。

❞

概念

首先，我們介紹下什麼是記憶體池？

❝

預先在記憶體中申請一定數量的記憶體塊留作備用，當有新的記憶體需求時，就先從記憶體池中分配記憶體返回，在釋放的時候，將記憶體返回給記憶體池而不是OS，在下次申請的時候，重新返回

❞

那麼為什麼要有記憶體池呢？這就需要從傳統記憶體分配的特點來進行分析，傳統記憶體分配釋放的優點無非就是 通用性強，應用廣泛，但是傳統的記憶體分配、釋放在某些特定的項目中，其不一定是最優、效率最高的方案。

傳統記憶體分配、釋放的缺點總結如下：

1、調用malloc/new,系統需要根據「最先匹配」、「最優匹配」或其他演算法在記憶體空閑塊表中查找一塊空閑記憶體，調用free/delete,系統可能需要合併空閑記憶體塊，這些會產生額外開銷

2、頻繁的在堆上申請和釋放記憶體必然需要大量時間，降低了程式的運行效率。對於一個需要頻繁申請和釋放記憶體的程式來說，頻繁調用new/malloc申請記憶體，delete/free釋放記憶體都需要花費系統時間，頻繁的調用必然會降低程式的運行效率。

3、經常申請小塊記憶體，會將物理記憶體「切」得很碎，導致記憶體碎片。申請記憶體的順序並不是釋放記憶體的順序，因此頻繁申請小塊記憶體必然會導致記憶體碎片，造成「有記憶體但是申請不到大塊記憶體」的現象。

記憶體分配記憶體分配

從上圖中，可以看出，應用程式會調用glibc運行時庫的malloc函數進行記憶體申請，而malloc函數則會根據具體申請的記憶體塊大小，根據實際情況最終從sys_brk或者sys_mmap_pgoff系統調用申請記憶體，而大家都知道，跟os打交道，_性能損失_是毋庸置疑的。

其次，glibc作為通用的運行時庫，malloc/free需要滿足各種場景需求，比如申請的位元組大小不一，多執行緒訪問等。

沒有比傳統malloc/free性能更優的方案呢？

答案是：有。

在程式啟動的時候，我們預分配特定數量的固定大小的塊，這樣每次申請的時候，就從預分配的塊中獲取，釋放的時候，將其放入預分配塊中以備下次復用，這就是所謂的_記憶體池技術_，每個記憶體池對應特定場景，這樣的話，較傳統的傳統的malloc/free少了很多複雜邏輯，性能顯然會提升不少。

結合傳統malloc/free的缺點，我們總結下使用記憶體池方案的優點：

1、比malloc/free進行記憶體申請/釋放的方式快

2、不會產生或很少產生堆碎片

3、可避免記憶體泄漏

分類

根據分配出去的位元組大小是否固定，分為 固定大小記憶體池 和 可變大小記憶體池 兩類。

而可變大小記憶體池，可分配任意大小的記憶體池，比如ptmalloc、jemalloc以及google的tcmalloc。

固定大小記憶體池，顧名思義，每次申請和釋放的記憶體大小都是固定的。每次分配出去的記憶體塊大小都是程式預先定義的值，而在釋放記憶體塊時候，則簡單的掛回記憶體池鏈表即可。

❝

本文主要講的是固定大小的記憶體池。

❞

原理

記憶體池，重點在」池「字上，之所以稱之為記憶體池，是在真正使用之前，先預分配一定數量、大小預設的塊，如果有新的記憶體需求時候，就從記憶體池中根據申請的記憶體大小，分配一個記憶體塊，若當前記憶體塊已經被完全分配出去，則繼續申請一大塊，然後進行分配。

當進行記憶體塊釋放的時候，則將其歸還記憶體池，後面如果再有申請的話，則將其重新分配出去。

記憶體池結構圖記憶體池結構圖

上圖是本文所要設計的結構圖，下面在具體的設計之前，我們先講下本記憶體池的原理：

  • 創建並初始化頭結點MemoryPool
  • 通過MemoryPool進行記憶體分配，如果發現MemoryPool所指向的第一塊MemoryBlock或者現有MemoryPool沒有空閑記憶體塊，則創建一個新的MemoryBlock初始化之後將其插入MemoryPool的頭
  • 在記憶體分配的時候，遍歷MemoryPool中的單鏈表MemoryBlock，根據地址判斷所要釋放的記憶體屬於哪個MemoryBlock，然後根據偏移設置MemoryBlock的第一塊空閑塊索引，同時將空閑塊個數+1

上述只是一個簡單的邏輯講解，比較宏觀，下面我們將通過圖解和程式碼的方式來進行講解。

設計

在上圖中，我們畫出了記憶體池的結構圖，從圖中，可以看出，有兩個結構變數，分別為MemoryPool和MemoryBlock。

下面我們將從數據結構和介面兩個部分出發，詳細講解記憶體池的設計。

數據結構

MemoryBlock

本文中所講述的記憶體塊的分配和釋放都是通過該結構進行操作，下面是MemoryBlock的示例圖：

MemoryBlockMemoryBlock

在上圖中，Header存儲該MemoryBlock的記憶體塊情況，比如可用的記憶體塊索引、當前MemoryBlock中可用記憶體塊的個數等等。

定義如下所示：

struct MemoryBlock {
 unsigned int size;
 unsigned int free_size;
 unsigned int first_free;

 struct MemoryBlock *next;
 char a_data[0]; 
};

其中：

  • size為MemoryBlock下記憶體塊的個數
  • free_size為MemoryBlock下空閑記憶體塊的個數
  • first_free為MemoryBlock中第一個空閑塊的索引
  • next指向下一個MemoryBlock
  • a_data是一個柔性數組

❝

柔性數組即數組大小待定的數組， C語言中結構體的最後一個元素可以是大小未知的數組，也就是所謂的0長度，所以我們可以用結構體來創建柔性數組。

它的主要用途是為了滿足需要變長度的結構體，為了解決使用數組時記憶體的冗餘和數組的越界問題。

❞

MemoryPool

MemoryPool為記憶體池的頭，裡面定義了該記憶體池的資訊，比如本記憶體池分配的固定對象的大小，第一個MemoryBlock等

struct MemoryPool {
 unsigned int obj_size;
 unsigned int init_size;
 unsigned int grow_size;

 MemoryBlock *first_block;
};

其中：

  • obj_size為記憶體池分配的固定記憶體塊的大小
  • init_size初始化記憶體池時候創建的記憶體塊的個數
  • grow_size當初始化記憶體塊使用完後，再次申請記憶體塊時候的個數
  • first_block指向第一個MemoryBlock

介面

memory_pool_create

MemoryPool *memory_pool_create(unsigned int init_size, 
                               unsigned int grow_size, 
                               unsigned int size);

本函數用來創建一個MemoryPool，並對其進行初始化，下面是參數說明：

  • init_size 表示第一個MemoryBlock中創建塊的個數
  • grow_size 表示當MemoryPool中沒有空閑塊可用，則創建一個新的MemoryBlock時其塊的個數
  • size 為塊的大小(即每次分配相同大小的固定size)

memory_alloc

void *memory_alloc(MemoryPool *mp);

本函數用了從mp中申請一塊記憶體返回

  • mp 為MemoryPool類型指針，即記憶體池的頭
  • 如果記憶體分配失敗，則返回NULL

memory_free

 void* memory_free(MemoryPool *mp, void *pfree);

本函數用來釋放記憶體

  • mp 為MemoryPool類型指針，即記憶體池的頭
  • pfree 為要釋放的記憶體

free_memory_pool

void free_memory_pool(MemoryPool *mp);

本函數用來釋放記憶體池

實現

在講解整個實現之前，我們先看先記憶體池的詳細結構圖。

初始化記憶體池

MemoryPool是整個記憶體池的入口結構，該函數主要是用來創建MemoryPool對象，並使用參數對其內部的成員變數進行初始化。

函數定義如下:

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;
}

記憶體分配

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;
 }
}

記憶體塊主要在MemoryBlock結構中，也就是說申請的記憶體，都是從MemoryBlock中進行獲取，流程如下：

  • 獲取MemoryPool中的first_block指針
    • 如果該指針為空，則創建一個MemoryBlock，first_block指向新建的MemoryBlock，並返回
    • 否則，從first_block進行單鏈表遍歷，查找第一個free_size不為0的MemoryBlock，如果找到，則對該MemoryBlock的相關參數進行設置，然後返回記憶體塊
    • 否則，創建一個新的MemoryBlock，進行初始化分配之後，將其插入到鏈表的頭部(這樣做的目的是為了方便下次分配效率，即減小了鏈表的遍歷)

在上述程式碼中，需要注意的是第30-33行或者67-70行，這兩行的功能一樣，都是對新申請的記憶體塊進行初始化，這幾行的意思，是要將空閑塊連接起來，但是，並沒有使用傳統意義上的鏈表方式，而是通過index方式進行連接，具體如下圖所示：

在上圖中，第0塊空閑塊的下一個空閑塊索引為1，而第1塊空閑塊的索引為2，依次類推，形成了如下鏈表方式

❝

1->2->3->4->5

❞

記憶體分配流程圖如下所示：

記憶體釋放

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;
}

記憶體釋放過程如下：

  • 判斷當前MemoryPool的first_block指針是否為空，如果為空，則返回

  • 否則，遍歷MemoryBlock鏈表，根據所釋放的指針參數判斷是否在某一個MemoryBlock中

    • 如果找到，則對MemoryBlock中的各個參數進行操作，然後返回

    • 否則，沒有合適的MemoryBlock，則表明該被釋放的指針不在記憶體池中，返回

在上述程式碼中，需要注意第20-29行。

  • 第20行，求出被釋放的記憶體塊在MemoryBlock中的偏移
  • 第22行，判斷是否能被整除，即是否在這個記憶體塊中，算是個double check
  • 第26行，將該MemoryBlock中的空閑塊個數加1
  • 第27-29行，類似於鏈表的插入，將新釋放的記憶體塊的索引放入鏈表頭，而其內部的指向下一個可用記憶體塊

現在舉個例子，以便於理解，假設在一開始有5個空閑塊，其中前三個空閑塊都分配出去了，那麼此時，空閑塊鏈表如下

❝

4->5，其中first_free = 4

❞

然後在某一個時刻，第1塊釋放了，那麼釋放歸還之後，如下

❝

1->4->5，其中first_free = 1

❞

記憶體釋放流程圖如下：

記憶體釋放記憶體釋放

釋放記憶體池

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);
}

上圖是一個完整的分配和釋放示意圖，下面，我結合程式碼來分析：

  • (a)步，創建了一個MemoryPool結構體
    • obj_size = 4代表本記憶體池分配的記憶體塊大小為4
    • init_size = 5代表創建記憶體池的時候，第一塊MemoryBlock的空閑記憶體塊個數為5
    • grow_size = 5代表當申請記憶體的時候，如果沒有空閑記憶體，則創建的新的MemoryBlock的空閑記憶體塊個數為5
  • (b)步，分配出去一塊記憶體
    • 此時，free_size即該MemoryBlock中可用空閑塊個數為4
    • first_free = 1，代表將記憶體塊分配出去之後，下一個可用的記憶體塊的index為1
  • (c)步，分配出去一塊記憶體
    • 此時，free_size即該MemoryBlock中可用空閑塊個數為3
    • first_free = 2，代表將記憶體塊分配出去之後，下一個可用的記憶體塊的index為2
  • (d)步，分配出去一塊記憶體
    • 此時，free_size即該MemoryBlock中可用空閑塊個數為2
    • first_free = 3，代表將記憶體塊分配出去之後，下一個可用的記憶體塊的index為3
  • (e)步，分配出去一塊記憶體
    • 此時，free_size即該MemoryBlock中可用空閑塊個數為1
    • first_free = 4，代表將記憶體塊分配出去之後，下一個可用的記憶體塊的index為4
  • (f)步，釋放第1個記憶體塊
    • 將free_size進行+1操作
    • fire_free值為此次釋放的記憶體塊的索引，而釋放的記憶體塊的索引裡面的值則為之前first_free的值(此處釋放用的前差法)
  • (g)步，釋放第3個記憶體塊
    • 將free_size進行+1操作
    • fire_free值為此次釋放的記憶體塊的索引，而釋放的記憶體塊的索引裡面的值則為之前first_free的值(此處釋放用的前差法)
  • (h)步，釋放第3個記憶體塊
    • 將free_size進行+1操作
    • fire_free值為此次釋放的記憶體塊的索引，而釋放的記憶體塊的索引裡面的值則為之前first_free的值(此處釋放用的前差法)

測試

測試程式碼如下:

#include "memory_pool.h"
#include <sys/time.h>
#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;
}

數據對比如下：

從上圖可以看出，pool的分配效率高於傳統的malloc方式，性能提高接近100%

❝

本測試結果僅針對當時的項目，對其他測試case不具有普遍性

❞

擴展

在文章前面，我們有提過本記憶體池是_單執行緒、固定大小的_，但是往往這種還是不能滿足要求，如下幾個場景

  • 單執行緒多固定大小
  • 多執行緒固定大小
  • 多執行緒多固定大小

❝

多固定大小，指的是提前預支需要申請的記憶體大小

❞

單執行緒多固定大小: 針對此場景，由於已經預知了所申請的size，所以可以針對每個size創建一個記憶體池

多執行緒固定大小：針對此場景，有以下兩個方案

  • 使用ThreadLocalCache
  • 每個執行緒創建一個記憶體池
  • 使用加鎖，操作全局唯一記憶體池(每次加鎖解鎖耗時100ns左右)

多執行緒多固定大小：針對此場景，可以結合上述兩個方案，即

  • 使用ThreadCache，每個執行緒內創建多固定大小的記憶體池
  • 每個執行緒內創建一個多固定大小的記憶體池
  • 使用加鎖，操作全局唯一記憶體池(每次加鎖解鎖耗時100ns左右)

❝

上述幾種方案，僅僅是在使用固定大小記憶體池基礎上進行的擴展，具體的方案，需要根據具體情況來具體分析

❞

結語

本文主要講了固定大小記憶體池的實現方式，因為實現方案的局限性，此記憶體池設計方案僅適用於每次申請都是特定大小的場景。雖然在擴展部分做了部分思維發散，但因為未做充分的數據對比，所以僅限于思維擴散。

目前，開源的記憶體分配庫很多，比較優秀的有Google的tcmalloc以及微軟的mimalloc，大家可以根據自己項目的需求場景，選擇合適的記憶體分配庫。

今天的文章就到這裡，下期見。

❝

本文所講的記憶體池源碼地址：

//github.com/namelij/fixedsize_memorypool

別忘了給個star哦😁

❞

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