摘要：而對于堆內存，通常需要程序員進行管理。我們通常說的內存管理亦是只堆空間內存管理。內存管理整體可以分為個部分，第一部分是常規的內存池，用于進程平時所需的內存管理第二部分是共享內存的管理。將內存塊按照的整數次冪進行劃分最小為最大為。

施洪寶

應用程序的內存可以簡單分為堆內存，棧內存。對于棧內存而言，在函數編譯時，編譯器會插入移動棧當前指針位置的代碼，實現棧空間的自管理。而對于堆內存，通常需要程序員進行管理。我們通常說的內存管理亦是只堆空間內存管理。

對于內存，我們的使用可以簡化為3步，申請內存、使用內存、釋放內存。申請內存，使用內存通常需要程序員顯示操作，釋放內存卻并不一定需要程序員顯示操作，目前很多的高級語言提供了垃圾回收機制，可以自行選擇時機釋放內存，例如: Go、Java已經實現垃圾回收, C語言目前尚未實現垃圾回收，C++中可以通過智能指針達到垃圾回收的目的。

除了語言層面的內存管理外，有時我們需要在程序中自行管理內存，總體而言，對于內存管理，我認為主要是解決以下問題:

用戶申請內存時，如何快速查找到滿足用戶需求的內存塊？

用戶釋放內存時，如何避免內存碎片化？

無論是語言層面實現的內存管理還是應用程序自行實現的內存管理，大都將內存按照大小分為幾種，每種采用不同的管理模式。常見的分類是按照2的整數次冪分，將不同種類的內存通過鏈表鏈接，查詢時，從相應大小的鏈表中尋找，如果找不到，則可以考慮從更大塊內存中，拿取一塊，將其分為多個小點的內存。當然，對于特別大的內存，語言層面的內存管理可以直接調用內存管理相關的系統調用，應用層面的內存管理則可以直接使用語言層面的內存管理。

nginx內存管理整體可以分為2個部分，

第一部分是常規的內存池，用于進程平時所需的內存管理；

第二部分是共享內存的管理。總體而言，共享內存較內存池要復雜的多。

本部分使用的nginx版本為1.15.3

具體源碼參見src/core/ngx_palloc.c文件

nginx內存池的使用較為簡單,可以分為3步，

調用ngx_create_pool函數獲取ngx_pool_t指針。

//size代表ngx_pool_t一塊的大小
ngx_pool_t* ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)

調用ngx_palloc申請內存使用

//從pool中申請size大小的內存
void* ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)

釋放內存(可以釋放大塊內存或者釋放整個內存池)

//釋放從pool中申請的大塊內存
ngx_int_t ngx_pfree(ngx_pool_t *pool, void *p)
//釋放整個內存池
void ngx_destroy_pool(ngx_pool_t *pool)

如下圖所示，nginx將內存分為2種，一種是小內存，一種是大內存，當申請的空間大于pool->max時，我們認為是大內存空間，否則是小內存空間。

//創建內存池的參數size減去頭部管理結構ngx_pool_t的大小
pool->max = size - sizeof(ngx_pool_t);

對于小塊內存空間, nginx首先查看當前內存塊待分配的空間中，是否能夠滿足用戶需求，如果可以，則直接將這部分內存返回。如果不能滿足用戶需求，則需要重新申請一個內存塊，申請的內存塊與當前塊空間大小相同，將新申請的內存塊通過鏈表鏈接到上一個內存塊，從新的內存塊中分配用戶所需的內存。

小塊內存并不釋放，用戶申請后直接使用，即使后期不再使用也不需要釋放該內存。由于用戶有時并不知道自己使用的內存塊是大是小，此時也可以調用ngx_pfree函數釋放該空間，該函數會從大空間鏈表中查找內存，找到則釋放內存。對于小內存而言，并未做任何處理。

對于大塊內存, nginx會將這些內存放到鏈表中存儲，通過pool->large進行管理。值得注意的是，用戶管理大內存的ngx_pool_large_t結構是從本內存池的小塊內存中申請而來，也就意味著無法釋放這些內存，nginx則是直接復用ngx_pool_large_t結構體。當用戶需要申請大內存空間時，利用c函數庫malloc申請空間，然后將其掛載某個ngx_pool_large_t結構體上。nginx在需要一個新的ngx_pool_large_t結構時，會首先pool->large鏈表的前3個元素中，查看是否有可用的,如果有則直接使用，否則新建ngx_pool_large_t結構。

本部分使用的nginx版本是1.15.3

本部分源碼詳見src/core/ngx_slab.c, src/core/ngx_shmtx.c

nginx共享內存內容相對較多，本文僅做簡單概述。

nginx中需要創建互斥鎖，用于后面多進程同步使用。除此之外，nginx可能需要一些統計信息，例如設置(stat_stub),對于這些變量，我們并不需要特意管理，只需要開辟共享空間后，直接使用即可。

設置stat_stub后所需的統計信息，亦是放到共享內存中，我們此處僅以nginx中的互斥鎖進行說明。

nginx互斥鎖，有兩種方案，當系統支持原子操作時，采用原子操作，不支持時采用文件鎖。本節源碼見ngx_event_module_init函數。

下圖為文件鎖實現互斥鎖的示意圖。

下圖為原子操作實現互斥鎖的示意圖。

問題

reload時，新啟動的master向老的master發送信號后直接退出，舊的master,重新加載配置(ngx_init_cycle函數), 新創建工作進程, 新的工作進程與舊的工作進程使用的鎖是相同的。
平滑升級時, 舊的master會創建新的master, 新的master會繼承舊的master監聽的端口(通過環境變量傳遞監聽套接字對應的fd)，新的進程并沒有重新綁定監聽端口。可能存在新老worker同時監聽某個端口的情況，此時操作系統會保證只會有一個進程處理該事件(雖然epoll_wait都會被喚醒)。

nginx允許各個模塊開辟共享空間以供使用,例如ngx_http_limit_conn_module模塊。

nginx共享內存管理的基本思想有:

將內存按照頁進行分配，每頁的大小相同, 此處設為page_size。
將內存塊按照2的整數次冪進行劃分, 最小為8bit, 最大為page_size/2。例如，假設每頁大小為4Kb, 則將內存分為8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048共9種，每種對應一個slot, 此時slots數組的大小n即為9。申請小塊內存(申請內存大小size <= page_size/2)時，直接給用戶這9種中的一種，例如，需要30bit時，找大小為32的內存塊提供給用戶。
每個頁只會劃分一種類型的內存塊。例如，某次申請內存時，現有內存無法滿足要求，此時會使用一個新的頁，則這個新頁此后只會分配這種大小的內存。
通過雙向鏈表將所有空閑的頁連接。圖中ngx_slab_pool_t中的free變量即使用來鏈接空閑頁的。
通過slots數組將所有小塊內存所使用的頁鏈接起來。
對于大于等于頁面大小的空間請求，計算所需頁數，找到連續的空閑頁，將空閑頁的首頁地址返回給客戶使用，通過每頁的管理結構ngx_slab_page_t進行標識。
所有頁面只會有3中狀態，空閑、未滿、已滿。空閑，未滿都是通過雙向鏈表進行整合，已滿頁面則不存在與任何頁面，當空間被釋放時，會將其加入到某個鏈表。

nginx共享內存的基本結構圖如下:

在上圖中，除了最右側的ngx_slab_pool_t接口開始的一段內存位于共享內存區外，其他內存都不是共享內存。

共享內存最終是從page中分配而來。