memcache的内存分配和重用机制

chiefgun

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；








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;   









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 sizealready 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
Thealgorithm 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 pagefrom 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;  





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；
3 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 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))