netty源码解析(4.0)-27 ByteBuf内存池:PoolArena-PoolThreadCache
前面两章分析的PoolChunk和PoolSubpage,从功能上来说已经可以直接拿来用了。但直接使用这个两个类管理内存在高频分配/释放内存场景下会有性能问题,PoolChunk分配内存时算法复杂度最高的是allocateNode方法,释放内存时算法复杂度最高的是free方法。 PoolChunk中二叉树的高度是maxOrder, 那么算法负责度是O(maxOrder),netty默认的maxOrder是11。另外,PoolChunk不是线程安全的,如果在多线程环境下需要加锁调用,这个开销比算法开销还要大。
为了解决性能问题,netty设计PoolThreadCache(PTC)。每个线程持有一个PTC对象,每个PTC对象持有多个MemoryRegionCache(MRC)对象。MRC对象缓存了大小相同的内存块。PooledByteBuf在释放内存时,会把内存缓存到,MRC对象中,下次分配内存是会优先从MRC中取出缓存的内存。这样,在高频,多线程分配/释放的场景下,可以避免绝大部分PoolChunk算法开销和锁开销。
cache的设计
在netty源码解解析(4.0)-25 ByteBuf内存池:PoolArena-PoolChunk中讲到,PoolArena把内存按内存大小把内存分为4中类型。PTC只缓存Tiny,Small, Normal三种内存。PTC内部维护了这三种内存的缓存数组,每种内存有两个数组,分别用来缓存堆内存和直接内存。
private final MemoryRegionCache<byte[]>[] tinySubPageHeapCaches;
private final MemoryRegionCache<byte[]>[] smallSubPageHeapCaches;
private final MemoryRegionCache<ByteBuffer>[] tinySubPageDirectCaches;
private final MemoryRegionCache<ByteBuffer>[] smallSubPageDirectCaches;
private final MemoryRegionCache<byte[]>[] normalHeapCaches;
private final MemoryRegionCache<ByteBuffer>[] normalDirectCaches;
这几十个数组都在PTC的构造方法中初始化,tinySubPageHeapCahes和tinSubPageDirectCaches的长度,PoolArena.numTinySubpagePools。smallSubPageHeapCaches和smallSubPageDirectCaches的长度是heapArena.numSmallSubpagePools。这个两种类型的cache都是调用createSubPageCaches方法创建。normalHeadpCaches和normalDirectCaches的长度取决于传递给构造方法的maxCachedBufferCapacity参数和PoolArena.pageSize,这种cache是调用createNormalCaches创建。
PoolArena.numTinySubpagePools和PoolArena.numSmallSubpagePools的含义在netty源码解解析(4.0)-26 ByteBuf内存池:PoolArena-PoolSubpage中有详细的分析。
下面以createNormalCaches方法的实现为例分析cache的创建:
private static <T> MemoryRegionCache<T>[] createNormalCaches(
int cacheSize, int maxCachedBufferCapacity, PoolArena<T> area) {
if (cacheSize > 0 && maxCachedBufferCapacity > 0) {
int max = Math.min(area.chunkSize, maxCachedBufferCapacity);
int arraySize = Math.max(1, log2(max / area.pageSize) + 1); @SuppressWarnings("unchecked")
MemoryRegionCache<T>[] cache = new MemoryRegionCache[arraySize];
for (int i = 0; i < cache.length; i++) {
cache[i] = new NormalMemoryRegionCache<T>(cacheSize);
}
return cache;
} else {
return null;
}
}
和createSubPageCaches不同,这个方法没有数组长度的参数,需要自己计算数组长度。
4,5行,计算cache数组长度。max是最大运行缓存的内存大小,它被限制为<=chunkSize。arraySize是数组的大小。如果max/area.pageSize = 2k, (k<=maxOrder)。log2(max/ares.pageSize) = k。arraySize 最小是1, 最大是maxOrder + 1。这意味着可缓存的内存大小是pageSize * 20, paggeSize * 21, ...... pageSize * 2arraySize-1
8-11行,创建cache数组,并逐个初始化。
这三种类型的数组有不同的特性,这些特性就是它们缓存内存的方式:
tinySubPageHeapCahes和tinSubPageDirectCaches: 这两个数组的长度是512 >> 4 = 512/16 = 32。索引idx位置缓存的内存长度normCapacity = idx * 16, 已知normCapacity,idx = normCapacity/16 = normCapacity >> 4。
smallSubPageHeapCaches和smallSubPageDirectCaches: 这个数组的长度是log2(pageSize) - 9。索引idx位置缓存内存的长度normCapacity = (1 << 9) * 2idx =29+idx, 已知normCapacity,idx = log2(normCapacity) - 9。
normalHeadpCaches和normalDirectCaches: 这个数组的长度范围是[1, maxOrder + 1)。索引idx位置缓存的内存长度normCapacity = pageSize * 2idx, 已知normCapacity,idx=log2(normCapacity/pageSize)。
向cache中添加内存
在PooledByteBuf是否内存时,会优调用PTC对象的add方法先把内存添添加到cache中:
boolean add(PoolArena<?> area, PoolChunk chunk, long handle, int normCapacity, SizeClass sizeClass) {
MemoryRegionCache<?> cache = cache(area, normCapacity, sizeClass);
if (cache == null) {
return false;
}
return cache.add(chunk, handle);
} private MemoryRegionCache<?> cache(PoolArena<?> area, int normCapacity, SizeClass sizeClass) {
switch (sizeClass) {
case Normal:
return cacheForNormal(area, normCapacity);
case Small:
return cacheForSmall(area, normCapacity);
case Tiny:
return cacheForTiny(area, normCapacity);
default:
throw new Error();
}
}
2行,调用cache方法找定位到MRC对象。
6行,把内存添加MRC对象。
10-19行,根据sizeClass调用不同的方法定位MRC对象。这里的sizeClass是根据normCapacity得到的,
normCapacity < 512: sizeClass = Tiny
512 <= normCapacity < pageSize: sizeClass = Small
pageSize <= normCapacity < chunkSize: sizeClass = Nomral
接下来看看这三个用来定位MRC对象的方法是如何实现的。首先来看cacheForTiny:
private MemoryRegionCache<?> cacheForTiny(PoolArena<?> area, int normCapacity) {
int idx = PoolArena.tinyIdx(normCapacity);
if (area.isDirect()) {
return cache(tinySubPageDirectCaches, idx);
}
return cache(tinySubPageHeapCaches, idx);
} private static <T> MemoryRegionCache<T> cache(MemoryRegionCache<T>[] cache, int idx) {
if (cache == null || idx > cache.length - 1) {
return null;
}
return cache[idx];
}
第2行, 计算数组的索引 idx = normapCapacity >> 4。
第4,6行调用的cache实现代码在9-14行。把MRC对象从数组中取出。
cacheForSmall,cacheForNormal方法和cacheForTiny类似,不同的是计算idx的方法。
private MemoryRegionCache<?> cacheForSmall(PoolArena<?> area, int normCapacity) {
int idx = PoolArena.smallIdx(normCapacity);
if (area.isDirect()) {
return cache(smallSubPageDirectCaches, idx);
}
return cache(smallSubPageHeapCaches, idx);
} private MemoryRegionCache<?> cacheForNormal(PoolArena<?> area, int normCapacity) {
if (area.isDirect()) {
int idx = log2(normCapacity >> numShiftsNormalDirect);
return cache(normalDirectCaches, idx);
}
int idx = log2(normCapacity >> numShiftsNormalHeap);
return cache(normalHeapCaches, idx);
}
第2行计算idx方法和第11行类似: log2(val), 初始化res=0,循环计算(val >>> 1) == 0 ? res : res += 1。当res不变时返回,这个是就是log2(val)的值。
第11行,numShiftsNormalDirect = log2(pageSize), normCapacity >> numShiftsNormalDirect = normCapacity/pageSize。第14行同理。
从cache中分配内存
分配内存的过程也依赖前面分析的几个cacheForXXX方法:
/**
* Try to allocate a tiny buffer out of the cache. Returns {@code true} if successful {@code false} otherwise
*/
boolean allocateTiny(PoolArena<?> area, PooledByteBuf<?> buf, int reqCapacity, int normCapacity) {
return allocate(cacheForTiny(area, normCapacity), buf, reqCapacity);
} /**
* Try to allocate a small buffer out of the cache. Returns {@code true} if successful {@code false} otherwise
*/
boolean allocateSmall(PoolArena<?> area, PooledByteBuf<?> buf, int reqCapacity, int normCapacity) {
return allocate(cacheForSmall(area, normCapacity), buf, reqCapacity);
} /**
* Try to allocate a small buffer out of the cache. Returns {@code true} if successful {@code false} otherwise
*/
boolean allocateNormal(PoolArena<?> area, PooledByteBuf<?> buf, int reqCapacity, int normCapacity) {
return allocate(cacheForNormal(area, normCapacity), buf, reqCapacity);
}
allocate方法实现比较简单,它调用MRC对象的allocate方法为PooledByteBuf分配内存,并初始化。
MemoryRegionCache(MRC)实现
PTC使用MRC对象缓存大小相同的内存块。它内部维护了一个队列,队列中保存的是大小从PoolChunk中分配的内存块。它有两个最重要的属性:
Queue<Entry<T>> queue: 缓存内存块的队列。
SizeClass sizeClass: 内存的类型, Tiny, Small或Normal。
MRC有三个类:
MemoryRegionCache<T>: 抽象类,定义了抽象方法initBuf。
SubPageMemoryRegionCache<T>: 实现initBuf方法,使用Tiny或Small内存初始化PooledByteBuf。
NormalMemoryRegionCache<T>: 实现initBuf方法,使用Normal内存初始化PooledByteBuf。
MRC的主要功能是:缓存一块内存,把PoolChunk, handle代表的内存添加到queue中。从queue中取出一块内存,调用initBuf方法初始化PooledByteBuf。
缓存内存
public final boolean add(PoolChunk<T> chunk, long handle) {
Entry<T> entry = newEntry(chunk, handle);
boolean queued = queue.offer(entry);
if (!queued) {
// If it was not possible to cache the chunk, immediately recycle the entry
entry.recycle();
} return queued;
}
这个方法用来吧chunk和handle代表的内存添加的queue中。Entry<T>是MRC的内部类,实现很简单,只是为了能在queue中缓存chunk和handle数据,它使用了Recycler功能,把自己放进了可循环使用的对象池中。
从取出一块内存,并初始化PooledByteBuf
public final boolean allocate(PooledByteBuf<T> buf, int reqCapacity) {
Entry<T> entry = queue.poll();
if (entry == null) {
return false;
}
initBuf(entry.chunk, entry.handle, buf, reqCapacity);
entry.recycle(); // allocations is not thread-safe which is fine as this is only called from the same thread all time.
++ allocations;
return true;
}
2-5行,取出一块内存。
6行,初始化PooledByteBuf。
下面是两个initBuf实现。
//SubPageMemoryRegionCache<T>
@Override
protected void initBuf(
PoolChunk<T> chunk, long handle, PooledByteBuf<T> buf, int reqCapacity) {
chunk.initBufWithSubpage(buf, handle, reqCapacity);
} //NormalMemoryRegionCache<T>
@Override
protected void initBuf(
PoolChunk<T> chunk, long handle, PooledByteBuf<T> buf, int reqCapacity) {
chunk.initBuf(buf, handle, reqCapacity);
}
由5, 12行,可以看到,这两个方法只是用来调用PoolChunk实现的PooledByteBuf初始化方法。
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