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本篇文章給大家?guī)?lái)的內(nèi)容是關(guān)于Nginx的內(nèi)存管理的深入理解（圖），有一定的參考價(jià)值，有需要的朋友可以參考一下，希望對(duì)你有所幫助。

一. 概述

1. 應(yīng)用程序的內(nèi)存可以簡(jiǎn)單分為堆內(nèi)存，棧內(nèi)存。對(duì)于棧內(nèi)存而言，在函數(shù)編譯時(shí)，編譯器會(huì)插入移動(dòng)棧當(dāng)前指針位置的代碼，實(shí)現(xiàn)棧空間的自管理。而對(duì)于堆內(nèi)存，通常需要程序員進(jìn)行管理。我們通常說(shuō)的內(nèi)存管理亦是只堆空間內(nèi)存管理。

2. 對(duì)于內(nèi)存，我們的使用可以簡(jiǎn)化為3步，申請(qǐng)內(nèi)存、使用內(nèi)存、釋放內(nèi)存。申請(qǐng)內(nèi)存，使用內(nèi)存通常需要程序員顯示操作，釋放內(nèi)存卻并不一定需要程序員顯示操作，目前很多的高級(jí)語(yǔ)言提供了垃圾回收機(jī)制，可以自行選擇時(shí)機(jī)釋放內(nèi)存，例如: Go、Java已經(jīng)實(shí)現(xiàn)垃圾回收, C語(yǔ)言目前尚未實(shí)現(xiàn)垃圾回收，C++中可以通過(guò)智能指針達(dá)到垃圾回收的目的。

3. 除了語(yǔ)言層面的內(nèi)存管理外，有時(shí)我們需要在程序中自行管理內(nèi)存，總體而言，對(duì)于內(nèi)存管理，我認(rèn)為主要是解決以下問(wèn)題:

• 用戶申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，如何快速查找到滿足用戶需求的內(nèi)存塊？

• 用戶釋放內(nèi)存時(shí)，如何避免內(nèi)存碎片化？

無(wú)論是語(yǔ)言層面實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存管理還是應(yīng)用程序自行實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存管理，大都將內(nèi)存按照大小分為幾種，每種采用不同的管理模式。常見的分類是按照2的整數(shù)次冪分，將不同種類的內(nèi)存通過(guò)鏈表鏈接，查詢時(shí)，從相應(yīng)大小的鏈表中尋找，如果找不到，則可以考慮從更大塊內(nèi)存中，拿取一塊，將其分為多個(gè)小點(diǎn)的內(nèi)存。當(dāng)然，對(duì)于特別大的內(nèi)存，語(yǔ)言層面的內(nèi)存管理可以直接調(diào)用內(nèi)存管理相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用層面的內(nèi)存管理則可以直接使用語(yǔ)言層面的內(nèi)存管理。

1. nginx內(nèi)存管理整體可以分為2個(gè)部分，

• 第一部分是常規(guī)的內(nèi)存池，用于進(jìn)程平時(shí)所需的內(nèi)存管理；

• 第二部分是共享內(nèi)存的管理。總體而言，共享內(nèi)存較內(nèi)存池要復(fù)雜的多。

二. nginx內(nèi)存池管理

2.1 說(shuō)明

1. 本部分使用的nginx版本為1.15.3

2. 具體源碼參見src/core/ngx_palloc.c文件

2.2 nginx實(shí)現(xiàn)

2.2.1 使用流程

nginx內(nèi)存池的使用較為簡(jiǎn)單,可以分為3步，

• 調(diào)用ngx_create_pool函數(shù)獲取ngx_pool_t指針。

• 調(diào)用ngx_palloc申請(qǐng)內(nèi)存使用

• 釋放內(nèi)存(可以釋放大塊內(nèi)存或者釋放整個(gè)內(nèi)存池)

2.2.2 具體實(shí)現(xiàn)

1. 如下圖所示，nginx將內(nèi)存分為2種，一種是小內(nèi)存，一種是大內(nèi)存，當(dāng)申請(qǐng)的空間大于pool->max時(shí)，我們認(rèn)為是大內(nèi)存空間，否則是小內(nèi)存空間。

對(duì)于小塊內(nèi)存空間, nginx首先查看當(dāng)前內(nèi)存塊待分配的空間中，是否能夠滿足用戶需求，如果可以，則直接將這部分內(nèi)存返回。如果不能滿足用戶需求，則需要重新申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存塊，申請(qǐng)的內(nèi)存塊與當(dāng)前塊空間大小相同，將新申請(qǐng)的內(nèi)存塊通過(guò)鏈表鏈接到上一個(gè)內(nèi)存塊，從新的內(nèi)存塊中分配用戶所需的內(nèi)存。

小塊內(nèi)存并不釋放，用戶申請(qǐng)后直接使用，即使后期不再使用也不需要釋放該內(nèi)存。由于用戶有時(shí)并不知道自己使用的內(nèi)存塊是大是小，此時(shí)也可以調(diào)用ngx_pfree函數(shù)釋放該空間，該函數(shù)會(huì)從大空間鏈表中查找內(nèi)存，找到則釋放內(nèi)存。對(duì)于小內(nèi)存而言，并未做任何處理。

對(duì)于大塊內(nèi)存, nginx會(huì)將這些內(nèi)存放到鏈表中存儲(chǔ)，通過(guò)pool->large進(jìn)行管理。值得注意的是，用戶管理大內(nèi)存的ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)是從本內(nèi)存池的小塊內(nèi)存中申請(qǐng)而來(lái)，也就意味著無(wú)法釋放這些內(nèi)存，nginx則是直接復(fù)用ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)體。當(dāng)用戶需要申請(qǐng)大內(nèi)存空間時(shí)，利用c函數(shù)庫(kù)malloc申請(qǐng)空間，然后將其掛載某個(gè)ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)體上。nginx在需要一個(gè)新的ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)首先pool->large鏈表的前3個(gè)元素中，查看是否有可用的,如果有則直接使用，否則新建ngx_pool_large_t結(jié)構(gòu)。

三. nginx共享內(nèi)存管理

3.1 說(shuō)明

1. 本部分使用的nginx版本是1.15.3

2. 本部分源碼詳見src/core/ngx_slab.c, src/core/ngx_shmtx.c

3. nginx共享內(nèi)存內(nèi)容相對(duì)較多，本文僅做簡(jiǎn)單概述。

3.2 直接使用共享內(nèi)存

3.2.1 基礎(chǔ)

1. nginx中需要?jiǎng)?chuàng)建互斥鎖，用于后面多進(jìn)程同步使用。除此之外，nginx可能需要一些統(tǒng)計(jì)信息，例如設(shè)置(stat_stub),對(duì)于這些變量，我們并不需要特意管理，只需要開辟共享空間后，直接使用即可。

2. 設(shè)置stat_stub后所需的統(tǒng)計(jì)信息，亦是放到共享內(nèi)存中，我們此處僅以nginx中的互斥鎖進(jìn)行說(shuō)明。

3.2.2 nginx互斥鎖的實(shí)現(xiàn)

1. nginx互斥鎖，有兩種方案，當(dāng)系統(tǒng)支持原子操作時(shí)，采用原子操作，不支持時(shí)采用文件鎖。本節(jié)源碼見ngx_event_module_init函數(shù)。

2. 下圖為文件鎖實(shí)現(xiàn)互斥鎖的示意圖。

1. 下圖為原子操作實(shí)現(xiàn)互斥鎖的示意圖。

1. 問(wèn)題

reload時(shí)，新啟動(dòng)的master向老的master發(fā)送信號(hào)后直接退出，舊的master,重新加載配置(ngx_init_cycle函數(shù)), 新創(chuàng)建工作進(jìn)程, 新的工作進(jìn)程與舊的工作進(jìn)程使用的鎖是相同的。

平滑升級(jí)時(shí), 舊的master會(huì)創(chuàng)建新的master, 新的master會(huì)繼承舊的master監(jiān)聽的端口(通過(guò)環(huán)境變量傳遞監(jiān)聽套接字對(duì)應(yīng)的fd)，新的進(jìn)程并沒(méi)有重新綁定監(jiān)聽端口?？赡艽嬖谛吕蟱orker同時(shí)監(jiān)聽某個(gè)端口的情況，此時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)保證只會(huì)有一個(gè)進(jìn)程處理該事件(雖然epoll_wait都會(huì)被喚醒)。

3.3 通過(guò)slab管理共享內(nèi)存

1. nginx允許各個(gè)模塊開辟共享空間以供使用,例如ngx_http_limit_conn_module模塊。

2. nginx共享內(nèi)存管理的基本思想有:

1、將內(nèi)存按照頁(yè)進(jìn)行分配，每頁(yè)的大小相同, 此處設(shè)為page_size。

2、將內(nèi)存塊按照2的整數(shù)次冪進(jìn)行劃分, 最小為8bit, 最大為page_size/2。例如，假設(shè)每頁(yè)大小為4Kb, 則將內(nèi)存分為8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048共9種，每種對(duì)應(yīng)一個(gè)slot, 此時(shí)slots數(shù)組的大小n即為9。申請(qǐng)小塊內(nèi)存(申請(qǐng)內(nèi)存大小size <= page_size/2)時(shí)，直接給用戶這9種中的一種，例如，需要30bit時(shí)，找大小為32的內(nèi)存塊提供給用戶。

3、每個(gè)頁(yè)只會(huì)劃分一種類型的內(nèi)存塊。例如，某次申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，現(xiàn)有內(nèi)存無(wú)法滿足要求，此時(shí)會(huì)使用一個(gè)新的頁(yè)，則這個(gè)新頁(yè)此后只會(huì)分配這種大小的內(nèi)存。

4、通過(guò)雙向鏈表將所有空閑的頁(yè)連接。圖中ngx_slab_pool_t中的free變量即使用來(lái)鏈接空閑頁(yè)的。

5、通過(guò)slots數(shù)組將所有小塊內(nèi)存所使用的頁(yè)鏈接起來(lái)。

6、對(duì)于大于等于頁(yè)面大小的空間請(qǐng)求，計(jì)算所需頁(yè)數(shù)，找到連續(xù)的空閑頁(yè)，將空閑頁(yè)的首頁(yè)地址返回給客戶使用，通過(guò)每頁(yè)的管理結(jié)構(gòu)ngx_slab_page_t進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

7、所有頁(yè)面只會(huì)有3中狀態(tài)，空閑、未滿、已滿?？臻e，未滿都是通過(guò)雙向鏈表進(jìn)行整合，已滿頁(yè)面則不存在與任何頁(yè)面，當(dāng)空間被釋放時(shí)，會(huì)將其加入到某個(gè)鏈表。

1. nginx共享內(nèi)存的基本結(jié)構(gòu)圖如下:

• 在上圖中，除了最右側(cè)的ngx_slab_pool_t接口開始的一段內(nèi)存位于共享內(nèi)存區(qū)外，其他內(nèi)存都不是共享內(nèi)存。