Linux 內(nèi)存池源碼淺析

內(nèi)存池(Memery Pool)技術(shù)是在真正使用內(nèi)存之前，先申請分配一定數(shù)量的、大小相等(一般情況下)的內(nèi)存塊留作備用。當(dāng)有新的內(nèi)存需求時，就從內(nèi)存池中分出一部分內(nèi)存塊，若內(nèi)存塊不夠再繼續(xù)申請新的內(nèi)存。這樣做的一個顯著優(yōu)點是盡量避免了內(nèi)存碎片，使得內(nèi)存分配效率得到提升。

不僅在用戶態(tài)應(yīng)用程序中被廣泛使用，同時在Linux內(nèi)核也被廣泛使用，在內(nèi)核中有不少地方內(nèi)存分配不允許失敗。作為一個在這些情況下確保分配的方式，內(nèi)核開發(fā)者創(chuàng)建了一個已知為內(nèi)存池(或者是 “mempool” )的抽象，內(nèi)核中內(nèi)存池真實地只是相當(dāng)于后備緩存，它盡力一直保持一個空閑內(nèi)存列表給緊急時使用，而在通常情況下有內(nèi)存需求時還是從公共的內(nèi)存中直接分配，這樣的做法雖然有點霸占內(nèi)存的嫌疑，但是可以從根本上保證關(guān)鍵應(yīng)用在內(nèi)存緊張時申請內(nèi)存仍然能夠成功。

下面看下內(nèi)核內(nèi)存池的源碼，內(nèi)核內(nèi)存池的源碼在中，實現(xiàn)上非常簡潔，描述內(nèi)存池的結(jié)構(gòu)mempool_t在頭文件中定義，結(jié)構(gòu)描述如下：

typedef struct mempool_s { spinlock_t lock; /*保護(hù)內(nèi)存池的自旋鎖*/ int min_nr; /*內(nèi)存池中最少可分配的元素數(shù)目*/ int curr_nr; /*尚余可分配的元素數(shù)目*/ void **elements; /*指向元素池的指針*/ void *pool_data; /*內(nèi)存源，即池中元素真實的分配處*/ mempool_alloc_t *alloc; /*分配元素的方法*/ mempool_free_t *free; /*回收元素的方法*/ wait_queue_head_t wait; /*被阻塞的等待隊列*/} mempool_t;

typedef struct mempool_s {

????spinlock_t lock; /*保護(hù)內(nèi)存池的自旋鎖*/

????int min_nr; /*內(nèi)存池中最少可分配的元素數(shù)目*/

????int curr_nr; /*尚余可分配的元素數(shù)目*/

????void **elements; /*指向元素池的指針*/

????void *pool_data; /*內(nèi)存源，即池中元素真實的分配處*/

????mempool_alloc_t *alloc; /*分配元素的方法*/

????mempool_free_t *free; /*回收元素的方法*/

????wait_queue_head_t wait; /*被阻塞的等待隊列*/

} mempool_t;

內(nèi)存池的創(chuàng)建函數(shù)mempool_create的函數(shù)原型如下：

mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn, mempool_free_t *free_fn, void *pool_data){ return mempool_create_node(min_nr,alloc_fn,free_fn, pool_data,-1);}

mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,

????????????????mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)

{

????return mempool_create_node(min_nr,alloc_fn,free_fn, pool_data,-1);

}

函數(shù)原型指定內(nèi)存池可以容納元素的個數(shù)、申請元素的方法、釋放元素的方法，以及一個可選的內(nèi)存源(通常是一個cache)，內(nèi)存池對象創(chuàng)建完成后會自動調(diào)用alloc方法從pool_data上分配min_nr個元素用來填充內(nèi)存池。

內(nèi)存池的釋放函數(shù)mempool_destory函數(shù)的原型很簡單，應(yīng)該也能猜到是依次將元素對象從池中移除，再釋放給pool_data，最后釋放池對象，如下：

void mempool_destroy(mempool_t *pool){ while (pool->curr_nr) { void *element = remove_element(pool); pool->free(element, pool->pool_data); } kfree(pool->elements); kfree(pool);}

void mempool_destroy(mempool_t *pool)

{

????while (pool->curr_nr) {

????????void *element = remove_element(pool);

????????pool->free(element, pool->pool_data);

????}

????kfree(pool->elements);

????kfree(pool);

}

值得注意的是內(nèi)存池分配和回收對象的函數(shù)：mempool_alloc和mempool_free。mempool_alloc的作用是從指定的內(nèi)存池中申請/獲取一個對象，函數(shù)原型如下：

void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask){...... element = pool->alloc(gfp_temp, pool->pool_data); if (likely(element != NULL)) return element; spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags); if (likely(pool->curr_nr)) { element = remove_element(pool);/*從內(nèi)存池中提取一個對象*/ spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags); /* paired with rmb in mempool_free(), read comment there */ smp_wmb(); return element; }...... }

void * mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask){

......

????element = pool->alloc(gfp_temp, pool->pool_data);

????if (likely(element != NULL))

????????return element;

????spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);

????if (likely(pool->curr_nr)) {

????????element = remove_element(pool);/*從內(nèi)存池中提取一個對象*/

????????spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);

????????/* paired with rmb in mempool_free(), read comment there */

????????smp_wmb();

????????return element;

????}

......

????

}

函數(shù)先是從pool_data中申請元素對象，當(dāng)從pool_data無法成功申請到時，才會從池中提取對象使用，因此可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)核內(nèi)存池mempool其實是一種后備池，在內(nèi)存緊張的情況下才會真正從池中獲取，這樣也就能保證在極端情況下申請對象的成功率，單也不一定總是會成功，因為內(nèi)存池的大小畢竟是有限的，如果內(nèi)存池中的對象也用完了，那么進(jìn)程就只能進(jìn)入睡眠，也就是被加入到pool->wait的等待隊列，等待內(nèi)存池中有可用的對象時被喚醒，重新嘗試從池中申請元素：

init_wait(&wait);prepare_to_wait(&pool->wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);io_schedule_timeout(5*HZ);finish_wait(&pool->wait, &wait);

init_wait(&wait);

prepare_to_wait(&pool->wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);

spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);

io_schedule_timeout(5*HZ);

finish_wait(&pool->wait, &wait);

池回收對象的函數(shù)mempool_free的原型如下：

void mempool_free(void *element, mempool_t *pool){if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {add_element(pool, element);spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);wake_up(&pool->wait);return;}spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);}pool->free(element, pool->pool_data);}

void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)

{

if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {

spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);

if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {

add_element(pool, element);

spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);

wake_up(&pool->wait);

return;

}

spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);

}

pool->free(element, pool->pool_data);

}

其實原則跟mempool_alloc是對應(yīng)的，釋放對象時先看池中的可用元素是否充足(pool->curr_nr == pool->min_nr)，如果不是則將元素對象釋放回池中，否則將元素對象還給pool->pool_data。

此外mempool也提供或者說指定了幾對alloc/free函數(shù)，及在mempool_create創(chuàng)建池時必須指定的alloc和free函數(shù)，分別適用于不同大小或者類型的元素的內(nèi)存池，具體如下：

void *mempool_alloc_slab(gfp_t gfp_mask, void *pool_data){ struct kmem_cache *mem = pool_data; return kmem_cache_alloc(mem, gfp_mask);}void mempool_free_slab(void *element, void *pool_data){ struct kmem_cache *mem = pool_data; kmem_cache_free(mem, element);}void *mempool_kmalloc(gfp_t gfp_mask, void *pool_data){ size_t size = (size_t)pool_data; return kmalloc(size, gfp_mask);}void mempool_kfree(void *element, void *pool_data){ kfree(element);}void *mempool_alloc_pages(gfp_t gfp_mask, void *pool_data){ int order = (int)(long)pool_data; return alloc_pages(gfp_mask, order);}void mempool_free_pages(void *element, void *pool_data){ int order = (int)(long)pool_data; __free_pages(element, order);}

void *mempool_alloc_slab(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)

{

????struct kmem_cache *mem = pool_data;

????return kmem_cache_alloc(mem, gfp_mask);

}

void mempool_free_slab(void *element, void *pool_data)

{

????struct kmem_cache *mem = pool_data;

????kmem_cache_free(mem, element);

}

void *mempool_kmalloc(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)

{

????size_t size = (size_t)pool_data;

????return kmalloc(size, gfp_mask);

}

void mempool_kfree(void *element, void *pool_data)

{

????kfree(element);

}

void *mempool_alloc_pages(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)

{

????int order = (int)(long)pool_data;

????return alloc_pages(gfp_mask, order);

}

void mempool_free_pages(void *element, void *pool_data)

{

????int order = (int)(long)pool_data;

????__free_pages(element, order);

}

總體上來講mempool的實現(xiàn)很簡約，但是不簡單，而且非常輕便易用，這也是內(nèi)核奧妙之所在。

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