memcached-slab内存管理

一、Memcache内存分配机制

        关于这个机制网上有很多解释的,我个人的总结如下。

Page为内存分配的最小单位。

Memcached 的内存分配以page为单位,默认情况下一个page是1M,可以通过-I参数在启动时指定。如果需要申请内存 时,memcached会划分出一个新的page并分配给需要的slab区域。page一旦被分配在重启前不会被回收或者重新分配(page ressign已经从1.2.8版移除了)
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Slabs划分数据空间。

Memcached 并不是将所有大小的数据都放在一起的,而是预先将数据空间划分为一系列slabs,每个slab只负责一定范围内的数据存储。如 下图,每个slab只存储大于其上一个slab的size并小于或者等于自己最大size的数据。例如:slab 3只存储大小介于137 到 224 bytes的数据。如果一个数据大小为230byte将被分配到slab 4中。从下图可以看出,每个slab负责的空间其实是不等的,memcached默认情况下下一个slab的最大值为前一个的1.25倍,这个可以通过修 改-f参数来修改增长比例。
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Chunk才是存放缓存数据的单位。

Chunk 是一系列固定的内存空间,这个大小就是管理它的slab的最大存放大小。例如:slab 1的所有chunk都是104byte,而slab 4的所有chunk都是280byte。chunk是memcached实际存放缓存数据的地方,因为chunk的大小固定为slab能够存放的最大值, 所以所有分配给当前slab的数据都可以被chunk存下。如果时间的数据大小小于chunk的大小,空余的空间将会被闲置,这个是为了防止内存碎片而设 计的。例如下图,chunk size是224byte,而存储的数据只有200byte,剩下的24byte将被闲置。
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Slab的内存分配。

Memcached在启动时通过-m指定最大使用内存,但是这个不会一启动就占用,是随着需要逐步分配给各slab的。
         如果一个新的缓存数据要被存放,memcached首先选择一个合适的slab,然后查看该slab是否还有空闲的chunk,如果有则直接存放进去;如 果没有则要进行申请。slab申请内存时以page为单位,所以在放入第一个数据,无论大小为多少,都会有1M大小的page被分配给该slab。申请到 page后,slab会将这个page的内存按chunk的大小进行切分,这样就变成了一个chunk的数组,在从这个chunk数组中选择一个用于存储 数据。如下图,slab 1和slab 2都分配了一个page,并按各自的大小切分成chunk数组。
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Memcached内存分配策略。

综合上面的介绍,memcached的内存分配策略就是:按slab需求分配page,各slab按需使用chunk存储。
这里有几个特点要注意,

Memcached分配出去的page不会被回收或者重新分配Memcached申请的内存不会被释放slab空闲的chunk不会借给任何其他slab使用

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      知道了这些以后,就可以理解为什么总内存没有被全部占用的情况下,memcached却出现了丢失缓存数据的问题了。

 

众所周知,memcache采用slab allocator管理内存,启动由-m指定可用的最大内存值(默认64M),默认是使用时再分配,-k可提前分配内存并锁定; 每个slab包含若干大小为1M的内存页,这些内存又被分割成多个chunk,每个chunk存储一个item; 在mc启动初始化时,每个slab都预分配一个1M的内存页,由
slabs_preallocate 完成(也可将相应代码注释掉关闭预分配功能); chunk的增长因子由-f指定,默认1.25,起始大小为48字节;

《memcached-slab内存管理》

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图片来源
http://blog.csdn.net/lcli2009/article/details/22095251 
http://blog.csdn.net/lcli2009/article/details/21985793 

item 为实际存储数据的结构体,
由两部分组成,属性信息和数据部分,数据部分包括cas,key和真实的value信息。

  • typedef struct _stritem {  
  •     struct _stritem *next;//item在slab中存储时,是以双链表的形式存储的,next即后向指针  
  •     struct _stritem *prev;//prev为前向指针  
  •     struct _stritem *h_next;//Hash桶中元素的链接指针  
  •     rel_time_t      time; //最近访问时间  
  •     rel_time_t      exptime;//过期时间  
  •     int             nbytes;//数据大小  
  •     unsigned short  refcount;//引用次数  
  •     uint8_t         nsuffix;    
  •     uint8_t         it_flags;    
  •     uint8_t         slabs_clsid;//标记item属于哪个slabclass下  
  •     uint8_t         nkey;       //key的长度  
  •     union {  
  •         uint64_t cas;  
  •         char end;  
  •     } data[];//真实的数据信息  
  • } item;  



《memcached-slab内存管理》

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slab
何时分配新的slab? 1 bigger item; 2 no free chunk
If the new item is bigger than the size of any existing blocks, then a new slab is created, divided up into blocks of a suitable size. If an existing slab with the right block size already exists, but there are no free blocks, a new slab is created. 
内存页一旦被分配给slab,在memcache生命周期内不再更改,在内存总量确定的情形下,其它slab可能出现饿死现象;
为此1.4.11引入slab automove
The algorithm is slow and conservative. If a slab class is seen as having the highest eviction count 3 times 10 seconds apart, it will take a page from a slab class which has had zero evictions in the last 30 seconds and move the memory.

若某个slab在10秒内出现3次eviction,则从过去30秒内没有出现eviction的slab里挪取一个内存页使用; 分为手工分配和自动分配: 手工:  -o slab_reassign;在mc运行时输入echo “slabs reassign 1 4” | nc localhost 11211 自动: -o slab_reassign, slab_automove;mc每10秒进行一次重分配,手工暂停echo  
“slabs automove 0” | nc localhost 11211

typedef struct {  
    unsigned int size;          /* 每个item大小, sizes of items */  
    unsigned int perslab;       /* 每个page中包含多少个item , how many items per slab */  
  
    void **slots;               /* 空闲的item指针, list of item ptrs */  
    unsigned int sl_total;      /* 以分配空闲的item 个数, size of previous array */  
    unsigned int sl_curr;       /* 当前空闲的item位置(也就是实际空闲item个数),从后往前的, first free slot */  
  
    void *end_page_ptr;         /* 指向最后一个页面中空闲的item开始位置, pointer to next free item at end of page, or 0 */  
    unsigned int end_page_free; /* 最后一个页面,item个数, number of items remaining at end of last alloced page */  
  
    unsigned int slabs;         /* 实际使用slab(page)个数 how many slabs were allocated for this class */  
  
    void **slab_list;           /* 所有page的指针, array of slab pointers */  
    unsigned int list_size;     /* 已经分配page指针个数,size of prev array */  
  
    unsigned int killing;       /* index+1 of dying slab, or zero if none */  
    size_t requested;           /* 所有被使用了的内存的大小, The number of requested bytes */  
} slabclass_t;  

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图片来源 
http://blog.csdn.net/benbendy1984/article/details/6216453  

LRU和expired item memcache并不会监视和清理过期数据,而是在客户端get时检查,称为lazy expiration。 item被检测到超时并不会被删除,而是放入slab->slots头部;
do_item_get —

   –判断该item是否过期
   do_item_unlink(it, hv);//将item从hashtable和LRU链中移除             
   do_item_remove(it);//删除item 
do_item_remove

  item_free(it);//释放item  
    slabs_free(it, ntotal, clsid);//slabclass结构执行释放 
           
do_slabs_free(ptr, size, id);//执行释放 
以下是do_slabs_free的代码,将expired item放入slab->slots的头部       
    it = (item *)ptr;  
    it->it_flags |= ITEM_SLABBED;//修改item的状态标识,修改为空闲  
    it->prev = 0;//断开数据链表  
    it->next = p->slots;  
    if (it->next) it->next->prev = it;  
    p->slots = it; 

问:expired item何时被重用? 1 slab在新加item时会先查看LRU队尾; 2 如果队尾的item恰巧超时则重用,否则执行slabs_alloc;这一过程循环5次,若还没有找到可用item,则再次调用
slabs_alloc;
slabs_alloc依次尝试  a slab->slot即expired item链表;  b slab->end_page_ptr 最后一个页面的空闲item; c 分配新的内存页 也就是说,只有LRU最后的5个元素状态为expired时,才有机会直接重用LRU,否则会依次尝试expired item list和slab的最后一个内存页的free item;

以下是代码实现   当客户端执行add操作,即往slab添加item时,调用
do_item_alloc;
do_item_alloc

    mutex_lock(&cache_lock);//执行LRU锁 存储时,会尝试从LRU中选择合适的空间的空间  
    int tries = 5;//如果LRU中尝试5次还没合适的空间,则执行申请空间的操作 
    search = tails[id];//第id个LRU表的尾部 

    
    /* We walk up *only* for locked items. Never searching for expired

    for (; tries > 0 && search != NULL; tries–, search=search->prev) {

        uint32_t hv = hash(ITEM_key(search), search->nkey, 0);//获取分段锁 



        if ((search->exptime != 0 && search->exptime < current_time)  || (search->time <= oldest_live && oldest_live <= current_time)) { //过期时间的判断  
            it = search; 

        } else if ((it = slabs_alloc(ntotal, id)) == NULL) {//申请合适的slabclass  
          ……

        } 
        break;  
    } 



    if (!tried_alloc && (tries == 0 || search == NULL))//5次循环查找,未找到合适的空间  
        it = slabs_alloc(ntotal, id);//则从内存池申请新的空间 


    return it;  


注:每次新分配item时,先进行5次循环:检查LRU尾部item是否过期,过期则重用,否则尝试slabs_alloc申请新内存;  若5次后仍未获取可用内存,则再次尝试slabs_alloc申请内存;
http://blog.csdn.net/lcli2009/article/details/22091167

slabs_alloc
       
pthread_mutex_lock(&slabs_lock);
    ret = do_slabs_alloc(size, id);

    pthread_mutex_unlock(&slabs_lock);



do_slabs_alloc(const size_t size, unsigned int id)

    p = &slabclass[id];  

    /* fail unless we have space at the end of a recently allocated page, we have something on our freelist, or we could allocate a new page */  
    // 1 最后面的页面有空间 2 空闲的地方有空间 3 分配一个新的页面  
    if (! (p->end_page_ptr != 0 || p->sl_curr != 0 ||  do_slabs_newslab(id) != 0)) {  
        /* We don’t have more memory available */  
        ret = NULL;  
    } else if (p->sl_curr != 0) {  
        /* return off our freelist */  
        //从空闲(回收)地方分配  
        ret = p->slots[–p->sl_curr];  
    } else {  
        /* if we recently allocated a whole page, return from that */  
        assert(p->end_page_ptr != NULL);  
        ret = p->end_page_ptr;  
        if (–p->end_page_free != 0) {  
            p->end_page_ptr = ((caddr_t)p->end_page_ptr) + p->size;  
        } else {  
            p->end_page_ptr = 0;  
        }  
    }  


    if (ret) {  
        p->requested += size;  
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE(size, id, p->size, ret);  
    } else {  
        MEMCACHED_SLABS_ALLOCATE_FAILED(size, id);  
    }  
  
    return ret;  
}  

do_slabs_newslab–即为该slab新分配一个数据页;
    int len = p->size * p->perslab; 

    memory_allocate((size_t)len))

    原文作者:memcached
    原文地址: https://www.cnblogs.com/UnGeek/p/5136410.html
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