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APR分析-内存篇
内存管理一直是让C程序员头痛的问题,作为一个通用接口集,APR当然也提供其自己的内存管理接口--APR
Pool。APR Pool作为整个APR的一个基础功能接口,直接影响着APR的设计风格。在这篇Blog中,我们就要和APR
Pool来一次“亲密接触”。(还是以Unix平台实现为例)
APR Pool源代码的位置在$(APR_HOME)/memory目录下,本篇blog着重分析unix子目录下的apr_pools.c文件内容,其相应头文件为$(APR_HOME)/include/apr_pools.h;在apr_pools.c中还实现了负责APR内部内存分配的APRallocator的相关操作接口(APR
allocator相关头文件为$(APR_HOME)/include/apr_allocator.h)。
一、APR Pool概述
我们平时常用的内存管理方式都是基于“request-style”的,即分配所请求大小的内存,使用之,销毁之。而APR
Pool的设计初衷是为Complex Application提供良好的内存管理接口,其使用方式与“request-style”有所不同。在$(APR_HOME)/docs/pool-design.htm文档中,设计者道出了“使用好”APR
Pool的几个Rules,同时也从侧面反映出APRPool的设计。
1、任何Object都不应该有自己的Pool,它应该在其构造函数的调用者的Pool中分配。因为一般调用者知道该Object的生命周期,并通过Pool管理之。也就是说Object无须自己调用"Close"
or "Free",这些操作在Object所在Pool被摧毁时会被隐式调用的。
2、函数无须为了他们的行为而去Create/Destroy Pool,它们应该使用它们调用者传给它们的Pool。
3、为了防止内存无限制的增长,APR Pool建议当遇到unbounded
iteration时使用sub_pool,标准格式如下:
subpool = apr_poll_create(pool, NULL);
for (i = 0; i < n; ++i) {
apr_pool_clear(subpool);
... ...
do_operation(..., subpool);
}
apr_pool_destroy(subpool);
二、深入APR Pool
到目前为止我们已经知道了该如何“很好的”使用APR
Pool,接下来我们来深入APRPool的内部,看究竟有什么“奥秘”。
1、分析apr_pool_initialize
任何使用APR的应用程序一般都会调用apr_app_initalize来初始化APR的内部使用的数据结构,察看一下app_app_initialize的代码,你会发现apr_pool_initialize在被apr_app_initialize调用的apr_initialize中被调用,该函数用来初始化使用Pool所需的内部结构(用户无须直接调用apr_pool_initialize,在apr_app_initialize时它被自动调用,而apr_app_initialize又是APR
program调用的第一个function,其在apr_general.h中声明,在misc/unix/start.c中实现)。
apr_pool_initialize的伪码如下(这里先不考虑多线程的情况):
static apr_byte_t apr_pools_initialized = 0;
static apr_pool_t *global_pool = NULL;
static apr_allocator_t *global_allocator = NULL;
apr_pool_initialize
{
如果(!apr_pools_initialized)
{
创建global_allocator; ------(1)
}
创建global_pool; -------(2)
给global_pool起名为"apr_global_pool";
}
(1) Pool和Allocator
每个Pool都有一个allocator相伴,这个allocator可能是Pool自己的,也可能是其ParentPool的。allocator的结构如下:
/* in apr_pools.c */
struct apr_allocator_t {
apr_uint32_t max_index;
apr_uint32_t max_free_index;
apr_uint32_t current_free_index;
... ...[注1]
apr_pool_t *owner;
apr_memnode_t *free[MAX_INDEX];
};
在(1)调用后,global_allocator的所有xx_index字段都为0,owner-->NULL,free指针数组中的指针也都-->NULL。这里的index是大小的级别,这里最大级别为20(即MAX_INDEX
= 20),free指针数组中free[0]所指的node大小为MIN_ALLOC大小,即8192,即2的13次幂。按此类推free[19]所指的node大小应为2的32次幂,即4G
byte。allocator_alloc中是通过index =(size >> BOUNDARY_INDEX) - 1来得到这一index的。allocator维护了一个index不同的memnode池,每一index级别上又有一个memnode
list,以后用户调用apr_palloc分配size大小内存时,allocaotr_alloc函数就会在free
memnode池中选和要寻找的size的index级别相同的memnode,而不是重新malloc一个size大小的memnode。另外要说明一点的是APR
Pool中所有ADT中的xx_index字段都是大小级别的概念。
(2)创建global_pool
在APR Pool初始化的时候,唯一创建一个Pool-- global_pool。apr_pool_t的非Debug版本如下:
/* in apr_pools.c */
struct apr_pool_t {
apr_pool_t *parent;
apr_pool_t *child;
apr_pool_t *sibling;
apr_pool_t **ref;
cleanup_t *cleanups;
cleanup_t *free_cleanups;
apr_allocator_t *allocator;
struct process_chain *subprocesses;
apr_abortfunc_t abort_fn;
apr_hash_t *user_data;
constchar *tag;
apr_memnode_t *active;
apr_memnode_t *self; /* The nodecontaining the pool itself */
char *self_first_avail;
... ...
}
而apr_memnode_t的结构如下:
/* in apr_allocator.h */
struct apr_memnode_t {
apr_memnode_t*next; /**< next memnode */
apr_memnode_t**ref; /**< reference to self */
apr_uint32_t index; /**< size*/
apr_uint32_t free_index; /**< how much free */
char *first_avail; /**< pointer to first free memory */
char *endp; /**< pointer to end of free memory */
};
apr_pool_create_ex首先通过allocator寻找合适的node用于创建Pool,但由于global_allocator尚未分配过任何node,所以global_allocator创建一个新的node,该node大小为MIN_ALLOC(即8192),该node的当前状态如下:
node -->|---------------|0
| |
| |
| |
|---------------|APR_MEMNODE_T_SIZE first_avail
| |
| |
| |
----------------- size(一般为8192) endp
其他属性值如下:
node->next = NULL;
node->index = (APR_UINT32_TRUNC_CAST)index; /*这里为1 */
创建完node后,我们将在该node上的avail
space划分出我们的global_pool来。划分后状态如下(pool与node关系):
node -->|---------------|0 self = pool_active
| |
| |
|---------------|APR_MEMNODE_T_SIZE
| |
| |
|---------------|APR_MEMNODE_T_SIZE+SIZEOF_POOL_Tfirst_avail = pool->self_first_avail
| |
| |
----------------- size(一般为8192) endp
pool其他一些属性值(pool与pool之间关系)如下:
pool->allocator = global_allocator;
pool->child = NULL;
pool->sibling = NULL;
pool->ref = NULL;
也许现在你仍然不能看清楚APRPool的结构,无需着急,我们继续往下分析。
2、APR Sub_Pool创建(pool与pool之间关系)
上面我们已经初始化了global_pool,但是global_pool是不能直接拿来就用的,我们需要创建其sub_pool,也就是用户自己的pool。一般创建user的sub_pool我们都使用apr_pool_create宏,它只需要2个参数,并默认sub_pool继承parent_pool的allocator和abort_fn。在apr_pool_create内部调用的还是apr_pool_create_ex函数。我们来看一下创建sub_pool后pool之间的关系:
例:
static apr_pool_t *sub_pool = NULL;
apr_pool_create(&sub_pool, NULL);
这里sub_pool的创建过程与global_pool相似,也是先创建其承载体node,然后设置相关属性,使其成为global_pool的child_pool。创建完后global_pool和该sub_pool的关系如下图:
global_pool sub_pool
----------- / / ------------
sibling --->NULL /------- parent
----------- / ------------
child ------------ / sibling ----->NULL
----------- ------------
child ------>NULL
------------
APR Pool是按照二叉树结构组织的,并采用“child-sibling”的链式存储方式,global_pool作为整个树的Root
Node。如果APR Pool中存在多个Pool,其节点结构关系如下:
/-child-->
/ --------Pool_level1-a
/ / parent /|/ |
/|/_ | | sibling
global_pool | |
/ | /|/
/-child-> Pool_level1-b
/|/ |
-parent------
3、从pool中分配内存
上面我们已经拥有了一个sub_pool,我们现在就可以从sub_pool中分配内存了。APR提供了函数apr_palloc来做这件事情。
例如:apr_alloc(sub_pool,wanted_mem_size);
apr_palloc在真正分配内存前会把wanted_mem_size做一下处理。它使用APR_ALIGN_DEFAULT宏处理wanted_mem_size得到一个圆整到8的new_size,然后再在pool中分配new_size大小的内存,也就是说pool中存在的用户内存块的大小都是8的倍数。举个例子来说,如果wanted_mem_size=
30,apr_alloc实际会在pool中划分出32个字节的空间。
apr_palloc的工作流程简单描述是这样的:
a)如果在pool->active node的avail space足够满足要申请的内存大小size时,则直接返回active->first_avail,并调整active->first_avail=
active->first_avail + size;
b)如果a)不满足,则察看active->next这个node满足与否;如果满足则将返回所要内存,并将该node设为active
node,将以前的active node放在新active node的next位置上;
c)如果b)也不满足,则新创建一个memnode,这个node可能为新创建的,也可能是从allocator的free
memnode池中取出的,取决于当时整个Pool的状态。
从上面我们也可以看出node分为2类,一种是作为pool的承载体,但pool结构的空间不足以完全占满一个node,所以也可以用来分配用户内存;另一种就是完全用于分配用户内存的了。每个pool有一个node
list,当然这个list中包括它自己所在的node了。
4、apr_pool_clear和apr_pool_destroy
创建和分配结束后,我们需要clear或者destroy掉Pool。
clear和destroy的区别在于clear并不真正free内存,只是清理便于以后alloc时重用,而destroy则是真正的free掉内存了。
三、总结
本文并未说明APR Pool有哪些优点或缺点(除了概述中的一些Rules),仅是把其来龙去脉弄清。
[注1]
在本文中出现的"......"的符号表示与多线程相关的字段和代码的省略。
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