齐齐哈尔市建设网站搜索引擎的设计与实现

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申请内存

释放内存

PageCache代码框架

windows下直接向堆申请页为单位的大块内存

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申请内存

1.当central cache向page cache申请内存时，page cache先检查对应位置有没有span，如果没有则向更大页寻找一个span，如果找到则分裂成两个。比如，申请的是4页的span，4页后面没有挂span，则向后面寻找更大的span，假设在10页page位置找到一个span，则将10页page span分裂为一个4页page span和一个6页page span。

2.如果找到_spanList[128]都没有合适的span，则向系统使申请128页的page span挂在自由链表中，再重复1中的过程。

3.需要注意的是，central cache和page cache的核心结构都是spanlist的哈希桶，但是它们有本质的区别，central cache中的哈希桶，是按跟thread cache一样的大小对齐关系映射的，它的spanlist中挂的span中的内存都被按映射关系切好链接成小块内存的自由链表。而page cache中的spanlist是按下标桶号映射的，也就是说第i号桶挂的span都是i页内存。

Span* PageCache::NewSpan(size_t k)
{assert(k > 0);//大于128 page直接向堆申请if (k > NPAGES - 1){void* ptr = SystemAlloc(k);//Span* span = new Span;Span* span = _spanPool.New();span->_pageId = (PAGE_ID)ptr >> PAGE_SHIFT;span->_n = k;//_idSpanMap[span->_pageId] = span;_idSpanMap.set(span->_pageId, span);return span;}//先检查第k个桶里面有没有spanif (!_spanlists[k].Empty()){Span* kSpan = _spanlists[k].PopFront();//建立id和span的映射，方便central cache回收小块内存时，查找对应的spanfor (size_t i = 0; i < kSpan->_n; i++){//_idSpanMap[kSpan->_pageId + i] = kSpan;_idSpanMap.set(kSpan->_pageId + i, kSpan);}return kSpan;}//检查一下后面的桶里面有没有span，如果有可以把它进行切分for (size_t i = k + 1; i < NPAGES; i++){//把当前这个桶切分成一个k页的span和一个n-k页的span//k页的span返回给central cache//n-k页span挂到第n-k桶中去if (!_spanlists[i].Empty()){Span* nSpan = _spanlists[i].PopFront();//Span* kSpan = new Span;Span* kSpan = _spanPool.New();//在nSpan的头部切一个k页下来//k页span返回//nSpan再挂到对应映射的位置kSpan->_pageId = nSpan->_pageId;kSpan->_n = k;nSpan->_pageId += k;nSpan->_n -= k;_spanlists[nSpan->_n].PushFront(nSpan);//存储nSpan的首尾页号跟nSpan映射，方便page cache回收内存//进行合并查找/*_idSpanMap[nSpan->_pageId] = nSpan;_idSpanMap[nSpan->_pageId + nSpan->_n - 1] = nSpan;*/_idSpanMap.set(nSpan->_pageId, nSpan);_idSpanMap.set(nSpan->_pageId + nSpan->_n - 1, nSpan);//建立id和span的映射，方便central cache回收小块内存时，查找对应的spanfor (size_t i = 0; i < kSpan->_n; i++){//_idSpanMap[kSpan->_pageId + i] = kSpan; _idSpanMap.set(kSpan->_pageId + i, kSpan);}return kSpan;}}//走到这个位置说明没有大页的span了//这个时候就去找堆要一个128页的span//Span* bigSpan = new Span;Span* bigSpan = _spanPool.New();void* ptr = SystemAlloc(NPAGES - 1);bigSpan->_pageId = (PAGE_ID)ptr >> PAGE_SHIFT;bigSpan->_n = NPAGES - 1;_spanlists[bigSpan->_n].PushFront(bigSpan);return NewSpan(k);
}

central cache中用的是一把大锁，而不是桶锁，用桶锁可能导致频繁加锁解锁（在central cache中不是一次只访问某一个桶，可能这个桶里没有page，就会向更大的page桶去要），这样导致效率低。  

释放内存

如果central cache释放回一个span，则依次寻找span的前后page id（页号）的span是否空闲，如果有就合并，合并出更大的页，如果可以合并继续向前寻找。这样就可以将切小的内存合并收缩成大的span，减少内存碎片。

void PageCache::ReleaseSpanToPageCache(Span* span)
{//大于128page的直接还给堆if (span->_n > NPAGES - 1){void* ptr = (void*)(span->_pageId << PAGE_SHIFT);SystemFree(ptr);//delete span;_spanPool.Delete(span);return;}//对span前后的页，尝试进行合并，缓解内存碎片的问题while (1){PAGE_ID prev_Id = span->_pageId - 1;//auto ret = _idSpanMap.find(prev_Id);前面的页号没有，不合并了//if (ret == _idSpanMap.end())//{//	break;//}auto ret = (Span*)_idSpanMap.get(prev_Id);if (ret == nullptr){break;}//前面相邻页的span在使用，不合并了Span* prevSpan = ret;if (prevSpan->_isUse == true){break;}// 合并出超过128页的span没办法管理，不合并了if (prevSpan->_n + span->_n > NPAGES - 1){break;}span->_pageId = prevSpan->_pageId;span->_n += prevSpan->_n;_spanlists[prevSpan->_n].Erase(prevSpan);//delete prevSpan; // 这里释放的是new出来的span对象，而不是对应的内存，//内存是SystemAlloc申请出来的，应该由SystemFree释放_spanPool.Delete(prevSpan);}//向后合并while (1){PAGE_ID nextId = span->_pageId + span->_n;/*auto ret = _idSpanMap.find(nextId);if (ret == _idSpanMap.end()){break;}*/auto ret = (Span*)_idSpanMap.get(nextId);if (ret == nullptr){break;}Span* nextSpan = ret;if (nextSpan->_isUse == true){break;}if (span->_n + nextSpan->_n > NPAGES - 1){break;}span->_n += nextSpan->_n;_spanlists[nextSpan->_n].Erase(nextSpan);//delete nextSpan;_spanPool.Delete(nextSpan);}_spanlists[span->_n].PushFront(span);span->_isUse = false;/*_idSpanMap[span->_pageId] = span;_idSpanMap[span->_pageId + span->_n - 1] = span;*/_idSpanMap.set(span->_pageId, span);_idSpanMap.set(span->_pageId + span->_n - 1, span);
}

另外，我们在查找地址所对应的span时，可以通过_idSpanMap中去找。这个_idSpanMap我们会在PageCache中申请和切分大块Span时会维护。

Span* PageCache::MapObjectToSpan(void* obj) 
{PAGE_ID id = ((PAGE_ID)obj >> PAGE_SHIFT);//std::unique_lock<std::mutex> lock(_pageMtx);/*auto ret = _idSpanMap.find(id);if (ret != _idSpanMap.end()){return ret->second;}else{assert(false);return nullptr;}*/auto ret = (Span*)_idSpanMap.get(id);assert(ret != nullptr);return ret;
}

PageCache代码框架

//page cache也用单例模式
class PageCache
{
public:static PageCache* GetInstance(){return &_sInst;}//获取从对象到span的映射Span* MapObjectToSpan(void* obj);//释放空闲span回到Pagecache，并合并相邻的spanvoid ReleaseSpanToPageCache(Span* span);//获取一个K页的spanSpan* NewSpan(size_t k);std::mutex _pageMtx;private:PageCache() {}PageCache(const PageCache&) = delete;PageCache& operator=(const PageCache&) = delete;SpanList _spanlists[NPAGES];ObjectPool<Span> _spanPool; //定长内存池，用它来new出Span对象，而不是用系统接口new//std::unordered_map<PAGE_ID, Span*> _idSpanMap;TCMalloc_PageMap1<32 - PAGE_SHIFT> _idSpanMap;static PageCache _sInst;
};

windows下直接向堆申请页为单位的大块内存

// 直接去堆上按页申请空间
inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)
{
#ifdef _WIN32void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage * (1 << PAGE_SHIFT), MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
#else// linux下brk mmap等
#endifif (ptr == nullptr)throw std::bad_alloc();return ptr;
}inline static void SystemFree(void* ptr)
{
#ifdef _WIN32VirtualFree(ptr, 0, MEM_RELEASE);
#else// sbrk unmmap等
#endif
}