摘要：而对于堆内存，通常需要程序员进行管理。二内存池管理说明本部分使用的版本为具体源码参见文件实现使用流程内存池的使用较为简单可以分为步，调用函数获取指针。将内存块按照的整数次幂进行划分最小为最大为。
运营研发团队 施洪宝
一. 概述应用程序的内存可以简单分为堆内存，栈内存。对于栈内存而言，在函数编译时，编译器会插入移动栈当前指针位置的代码，实现栈空间的自管理。而对于堆内存，通常需要程序员进行管理。我们通常说的内存管理亦是只堆空间内存管理。
对于内存，我们的使用可以简化为3步，申请内存、使用内存、释放内存。申请内存，使用内存通常需要程序员显示操作，释放内存却并不一定需要程序员显示操作，目前很多的高级语言提供了垃圾回收机制，可以自行选择时机释放内存，例如: Go、Java已经实现垃圾回收, C语言目前尚未实现垃圾回收，C++中可以通过智能指针达到垃圾回收的目的。
除了语言层面的内存管理外，有时我们需要在程序中自行管理内存，总体而言，对于内存管理，我认为主要是解决以下问题:
用户申请内存时，如何快速查找到满足用户需求的内存块？
用户释放内存时，如何避免内存碎片化？
无论是语言层面实现的内存管理还是应用程序自行实现的内存管理，大都将内存按照大小分为几种，每种采用不同的管理模式。常见的分类是按照2的整数次幂分，将不同种类的内存通过链表链接，查询时，从相应大小的链表中寻找，如果找不到，则可以考虑从更大块内存中，拿取一块，将其分为多个小点的内存。当然，对于特别大的内存，语言层面的内存管理可以直接调用内存管理相关的系统调用，应用层面的内存管理则可以直接使用语言层面的内存管理。
nginx内存管理整体可以分为2个部分，
第一部分是常规的内存池，用于进程平时所需的内存管理；
第二部分是共享内存的管理。总体而言，共享内存教内存池要复杂的多。
二. nginx内存池管理 2.1 说明本部分使用的nginx版本为1.15.3
具体源码参见src/core/ngx_palloc.c文件
2.2 nginx实现 2.2.1 使用流程nginx内存池的使用较为简单,可以分为3步，
调用ngx_create_pool函数获取ngx_pool_t指针。
//size代表ngx_pool_t一块的大小 ngx_pool_t* ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
调用ngx_palloc申请内存使用
//从pool中申请size大小的内存 void* ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
释放内存(可以释放大块内存或者释放整个内存池)
//释放从pool中申请的大块内存 ngx_int_t ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p) //释放整个内存池 void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)2.2.2 具体实现
如下图所示，nginx将内存分为2种，一种是小内存，一种是大内存，当申请的空间大于pool->max时，我们认为是大内存空间，否则是小内存空间。
//创建内存池的参数size减去头部管理结构ngx_pool_t的大小 pool->max = size - sizeof(ngx_pool_t);
对于小块内存空间, nginx首先查看当前内存块待分配的空间中，是否能够满足用户需求，如果可以，则直接将这部分内存返回。如果不能满足用户需求，则需要重新申请一个内存块，申请的内存块与当前块空间大小相同，将新申请的内存块通过链表链接到上一个内存块，从新的内存块中分配用户所需的内存。
小块内存并不释放，用户申请后直接使用，即使后期不再使用也不需要释放该内存。由于用户有时并不知道自己使用的内存块是大是小，此时也可以调用ngx_pfree函数释放该空间，该函数会从大空间链表中查找内存，找到则释放内存。对于小内存而言，并未做任何处理。
对于大块内存, nginx会将这些内存放到链表中存储，通过pool->large进行管理。值得注意的是，用户管理大内存的ngx_pool_large_t结构是从本内存池的小块内存中申请而来，也就意味着无法释放这些内存，nginx则是直接复用ngx_pool_large_t结构体。当用户需要申请大内存空间时，利用c函数库malloc申请空间，然后将其挂载某个ngx_pool_large_t结构体上。nginx在需要一个新的ngx_pool_large_t结构时，会首先pool->large链表的前3个元素中，查看是否有可用的,如果有则直接使用，否则新建ngx_pool_large_t结构。
三. nginx共享内存管理 3.1 说明本部分使用的nginx版本是1.15.3
本部分源码详见src/core/ngx_slab.c, src/core/ngx_shmtx.c
nginx共享内存内容相对较多，本文仅做简单概述。
3.2 直接使用共享内存 3.2.1 基础nginx中需要创建互斥锁，用于后面多进程同步使用。除此之外，nginx可能需要一些统计信息，例如设置(stat_stub),对于这些变量，我们并不需要特意管理，只需要开辟共享空间后，直接使用即可。
设置stat_stub后所需的统计信息，亦是放到共享内存中，我们此处仅以nginx中的互斥锁进行说明。
3.2.2 nginx互斥锁的实现nginx互斥锁，有两种方案，当系统支持原子操作时，采用原子操作，不支持时采用文件锁。本节源码见ngx_event_module_init函数。
下图为文件锁实现互斥锁的示意图。
下图为原子操作实现互斥锁的示意图。
问题
3.3 通过slab管理共享内存reload时，新启动的master向老的master发送信号后直接退出，旧的master,重新加载配置(ngx_init_cycle函数), 新创建工作进程, 新的工作进程与旧的工作进程使用的锁是相同的。
平滑升级时, 旧的master会创建新的master, 新的master会继承旧的master监听的端口(通过环境变量传递监听套接字对应的fd)，新的进程并没有重新绑定监听端口。可能存在新老worker同时监听某个端口的情况，此时操作系统会保证只会有一个进程处理该事件(虽然epoll_wait都会被唤醒)。
nginx允许各个模块开辟共享空间以供使用,例如ngx_http_limit_conn_module模块。
nginx共享内存管理的基本思想有:
将内存按照页进行分配，每页的大小相同, 此处设为page_size。
将内存块按照2的整数次幂进行划分, 最小为8bit, 最大为page_size/2。例如，假设每页大小为4Kb, 则将内存分为8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048共9种，每种对应一个slot, 此时slots数组的大小n即为9。申请小块内存(申请内存大小size <= page_size/2)时，直接给用户这9种中的一种，例如，需要30bit时，找大小为32的内存块提供给用户。
每个页只会划分一种类型的内存块。例如，某次申请内存时，现有内存无法满足要求，此时会使用一个新的页，则这个新页此后只会分配这种大小的内存。
通过双向链表将所有空闲的页连接。图中ngx_slab_pool_t中的free变量即使用来链接空闲页的。
通过slots数组将所有小块内存所使用的页链接起来。
对于大于等于页面大小的空间请求，计算所需页数，找到连续的空闲页，将空闲页的首页地址返回给客户使用，通过每页的管理结构ngx_slab_page_t进行标识。
所有页面只会有3中状态，空闲、未满、已满。空闲，未满都是通过双向链表进行整合，已满页面则不存在与任何页面，当空间被释放时，会将其加入到某个链表。
nginx共享内存的基本结构图如下:
在上图中，除了最右侧的ngx_slab_pool_t接口开始的一段内存位于共享内存区外，其他内存都不是共享内存。
共享内存最终是从page中分配而来。
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