jemalloc原理概览

jemalloc在linux的世界里声名鹊起,并被移植到多个平台。后起之秀的tcmalloc性能与之相近,虽有谷歌这个牛爹,但因jemalloc专美在前,tcmalloc的使用范围还是略逊一筹。网络上关于jemalloc的各种解读很多,不再一一赘述,这里 挑一些关键点来分析。

一、地址访问

malloc和free的第一个参数都是内存地址,如何快速定位到该地址所属的内存块基址呢,在高频内存分配中,这是第一 要务。jemalloc使用一个简单的技巧,chunk = addr & (~chunksize_mask) ,确保寻址O(1)就能完成。在这个公式中,有一个很隐晦的前提是,chunk的地址,必须能够满足类似0xaabb0000这样格式,其尾部0的数量要大于等于chunksize_mask的F的数量。

jemalloc在分配时,会做这样的尝试,alloc_size = size + aligment - PAGE_SIZE,然后去掉头部,保证chunk地址满足这样的条件。如果不能,则将多余的内存地址还给系统。

二、内存页管理

小对象可以用技巧映射到chunk,对于chunk寻址就没有办法用上面这招了。jemalloc用三层基数树,所以查找效率还是相当高的,只是增删除改查时,需要加锁。加锁会影响效率,当因为次数比较少,倒不会有太大的影响。需要注意的是,jemalloc的这个全局基数树的节点在分配之后,是不释放的,直到最终进程退出。jemalloc从系统中,每次都是以4M为基准申请的。

三、长度对齐

在实际场景中,请求分配字节大小是随机的,如果按照真实大小分配,容易引起内存页缺失中断,因此需要字节对齐。在jemalloc中,并不是固定字节对齐,而是按照如下的逻辑:

(0)、[0-16] --字节对齐-->8

(1)、(16-128] --字节对齐-->16

(2)、(128-256] --字节对齐-->32

(3)、(256-512] --字节对齐-->64

四、线程竞争

在内存分配过程中,锁会造成线程等待,对性能影响巨大。jemalloc采用了两种措施避免线程竞争锁的发生,

1、使用线程变量,每个线程有自己的内存管理器,分配在这个线程内完成,就不需要和其他线程竞争。

2、竞技场,分配一个数组,每个线程通过线程号的映射,对应到一个数组元素中。这样,多个线程竞争一个元素的概率就下降。

有点令人诧异的是,jemalloc使用原子操作基本没有,锁都是用粒度较大的mutex。只有需要较长等待时,比如陷入系统时才有必要用这种粗粒度的锁。和竞技场相关的资料颇多,可以在网上找找。

五、分配流程

我们假设一个应用场景,要分配一个大小为SIZE的内存块,那么流程如下:

1、选定一个arena或者tcache。

2、计算对应的对齐长度,见第三节,根据对齐长度,计算出arena中bins的下标。

3、在一个bins中,如果runccur可用,则在runcur中分配,否则从runs中选择一个。

4、从选定的run中,计算bitmap,得到空闲的region,后返回。

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