Netty源码分析第五章: ByteBuf
第八节: subPage级别的内存分配
上一小节我们剖析了page级别的内存分配逻辑, 这一小节带大家剖析有关subPage级别的内存分配
通过之前的学习我们知道, 如果我们分配一个缓冲区大小远小于page, 则直接在一个page上进行分配则会造成内存浪费, 所以需要将page继续进行切分成多个子块进行分配, 子块分配的个数根据你要分配的缓冲区大小而定, 比如只需要分配1k的内存, 就会将一个page分成8等分
简单起见, 我们这里仅仅以16字节为例, 讲解其分配逻辑
在分析其逻辑前, 首先看PoolArean的一个属性:
private final PoolSubpage<T>[] tinySubpagePools;
这个属性是一个PoolSubpage的数组, 有点类似于一个subpage的缓存, 我们创建一个subpage之后, 会将创建的subpage与该属性其中每个关联, 下次在分配的时候可以直接通过该属性的元素去找关联的subpage
我们其中是在构造方法中初始化的, 看构造方法中其初始化代码:
tinySubpagePools = newSubpagePoolArray(numTinySubpagePools);
这里为numTinySubpagePools为32
跟到newSubpagePoolArray(numTinySubpagePools)方法里:
private PoolSubpage<T>[] newSubpagePoolArray(int size) {
return new PoolSubpage[size];
}
这里直接创建了一个PoolSubpage数组, 长度为32
在构造方法中创建完毕之后, 会通过循环为其赋值:
for (int i = 0; i < tinySubpagePools.length; i ++) {
tinySubpagePools[i] = newSubpagePoolHead(pageSize);
}
我们跟到newSubpagePoolHead中:
private PoolSubpage<T> newSubpagePoolHead(int pageSize) {
PoolSubpage<T> head = new PoolSubpage<T>(pageSize);
head.prev = head;
head.next = head;
return head;
}
这里创建了一个PoolSubpage对象head
head.prev = head;
head.next = head;
这种写法我们知道Subpage其实也是个双向链表, 这里的将head的上一个节点和下一个节点都设置为自身, 有关PoolSubpage的关联关系, 我们稍后会看到
这样通过循环创建PoolSubpage, 总共会创建出32个subpage, 其中每个subpage实际代表一块内存大小:
5-8-1
这里就有点类之前小节的缓存数组tinySubPageDirectCaches的结构
了解了tinySubpagePools属性, 我们看PoolArean的allocate方法, 也就是缓冲区的入口方法:
private void allocate(PoolThreadCache cache, PooledByteBuf<T> buf, final int reqCapacity) {
//规格化
final int normCapacity = normalizeCapacity(reqCapacity);
if (isTinyOrSmall(normCapacity)) {
int tableIdx;
PoolSubpage<T>[] table;
//判断是不是tinty
boolean tiny = isTiny(normCapacity);
if (tiny) { // < 512
//缓存分配
if (cache.allocateTiny(this, buf, reqCapacity, normCapacity)) {
return;
}
//通过tinyIdx拿到tableIdx
tableIdx = tinyIdx(normCapacity);
//subpage的数组
table = tinySubpagePools;
} else {
if (cache.allocateSmall(this, buf, reqCapacity, normCapacity)) {
return;
}
tableIdx = smallIdx(normCapacity);
table = smallSubpagePools;
}
//拿到对应的节点
final PoolSubpage<T> head = table[tableIdx];
synchronized (head) {
final PoolSubpage<T> s = head.next;
//默认情况下, head的next也是自身
if (s != head) {
assert s.doNotDestroy && s.elemSize == normCapacity;
long handle = s.allocate();
assert handle >= 0;
s.chunk.initBufWithSubpage(buf, handle, reqCapacity);
if (tiny) {
allocationsTiny.increment();
} else {
allocationsSmall.increment();
}
return;
}
}
allocateNormal(buf, reqCapacity, normCapacity);
return;
}
if (normCapacity <= chunkSize) {
//首先在缓存上进行内存分配
if (cache.allocateNormal(this, buf, reqCapacity, normCapacity)) {
//分配成功, 返回
return;
}
//分配不成功, 做实际的内存分配
allocateNormal(buf, reqCapacity, normCapacity);
} else {
//大于这个值, 就不在缓存上分配
allocateHuge(buf, reqCapacity);
}
}
之前我们最这个方法剖析过在page级别相关内存分配逻辑, 这一小节看subpage级别分配的相关逻辑
假设我们分配16字节的缓冲区, isTinyOrSmall(normCapacity)就会返回true, 进入if块
同样if (tiny)这里会返回true, 继续跟到if (tiny)中:
首先会在缓存中分配缓冲区, 如果分配不到, 就开辟一块内存进行内存分配
首先看这一步:
tableIdx = tinyIdx(normCapacity);
这里通过normCapacity拿到tableIdx, 我们跟进去:
static int tinyIdx(int normCapacity) {
return normCapacity >>> 4;
}
这里将normCapacity除以16, 其实也就是1
我们回到PoolArena的allocate方法继续看:
table = tinySubpagePools
这里将tinySubpagePools赋值到局部变量table中, 继续往下看
final PoolSubpage<T> head = table[tableIdx] 这步时通过下标拿到一个PoolSubpage, 因为我们以16字节为例, 所以我们拿到下标为1的PoolSubpage, 对应的内存大小也就是16B
再看 final PoolSubpage<T> s = head.next 这一步, 跟我们刚才了解的的tinySubpagePools属性, 默认情况下head.next也是自身, 所以if (s != head)会返回false, 我们继续往下看:
下面, 会走到allocateNormal(buf, reqCapacity, normCapacity)这个方法:
private synchronized void allocateNormal(PooledByteBuf<T> buf, int reqCapacity, int normCapacity) {
//首先在原来的chunk上进行内存分配(1)
if (q050.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) || q025.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) ||
q000.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) || qInit.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) ||
q075.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity)) {
++allocationsNormal;
return;
}
//创建chunk进行内存分配(2)
PoolChunk<T> c = newChunk(pageSize, maxOrder, pageShifts, chunkSize);
long handle = c.allocate(normCapacity);
++allocationsNormal;
assert handle > 0;
//初始化byteBuf(3)
c.initBuf(buf, handle, reqCapacity);
qInit.add(c);
}
这里的逻辑我们之前的小节已经剖析过, 首先在原来的chunk中分配, 如果分配不成功, 则会创建chunk进行分配
我们看这一步 long handle = c.allocate(normCapacity)
跟到allocate(normCapacity)方法中:
long allocate(int normCapacity) {
if ((normCapacity & subpageOverflowMask) != 0) {
return allocateRun(normCapacity);
} else {
return allocateSubpage(normCapacity);
}
}
上一小节我们分析page级别分配的时候, 剖析的是allocateRun(normCapacity)方法
因为这里我们是以16字节举例, 所以这次我们剖析allocateSubpage(normCapacity)方法, 也就是在subpage级别进行内存分配
private long allocateSubpage(int normCapacity) {
PoolSubpage<T> head = arena.findSubpagePoolHead(normCapacity);
synchronized (head) {
int d = maxOrder;
//表示在第11层分配节点
int id = allocateNode(d);
if (id < 0) {
return id;
}
//获取初始化的subpage
final PoolSubpage<T>[] subpages = this.subpages;
final int pageSize = this.pageSize;
freeBytes -= pageSize;
//表示第几个subpageIdx
int subpageIdx = subpageIdx(id);
PoolSubpage<T> subpage = subpages[subpageIdx];
if (subpage == null) {
//如果subpage为空
subpage = new PoolSubpage<T>(head, this, id, runOffset(id), pageSize, normCapacity);
//则将当前的下标赋值为subpage
subpages[subpageIdx] = subpage;
} else {
subpage.init(head, normCapacity);
}
//取出一个子page
return subpage.allocate();
}
}
首先, 通过 PoolSubpage<T> head = arena.findSubpagePoolHead(normCapacity) 这种方式找到head节点, 实际上这里head, 就是我们刚才分析的tinySubpagePools属性的第一个节点, 也就是对应16B的那个节点
int d = maxOrder 是将11赋值给d, 也就是在内存树的第11层取节点, 这部分上一小节剖析过了, 可以回顾图5-8-5部分
int id = allocateNode(d) 这里获取的是上一小节我们分析过的, 字节数组memoryMap的下标, 这里指向一个page, 如果第一次分配, 指向的是0-8k的那个page, 上一小节对此进行详细的剖析这里不再赘述
final PoolSubpage<T>[] subpages = this.subpages 这一步, 是拿到PoolChunk中成员变量subpages的值, 也是个PoolSubpage的数组, 在PoolChunk进行初始化的时候, 也会初始化该数组, 长度为2048
也就是说每个chunk都维护着一个subpage的列表, 如果每一个page级别的内存都需要被切分成子page, 则会将这个这个page放入该列表中, 专门用于分配子page, 所以这个列表中的subpage, 其实就是一个用于切分的page
5-8-2
int subpageIdx = subpageIdx(id) 这一步是通过id拿到这个PoolSubpage数组的下标, 如果id对应的page是0-8k的节点, 这里拿到的下标就是0
在 if (subpage == null) 中, 因为默认subpages只是创建一个数组, 并没有往数组中赋值, 所以第一次走到这里会返回true, 跟到if块中:
subpage = new PoolSubpage<T>(head, this, id, runOffset(id), pageSize, normCapacity);
这里通过new PoolSubpage创建一个新的subpage之后, 通过 subpages[subpageIdx] = subpage 这种方式将新创建的subpage根据下标赋值到subpages中的元素中
在new PoolSubpage的构造方法中, 传入head, 就是我们刚才提到过的tinySubpagePools属性中的节点, 如果我们分配的16字节的缓冲区, 则这里对应的就是第一个节点
我们跟到PoolSubpage的构造方法中:
PoolSubpage(PoolSubpage<T> head, PoolChunk<T> chunk, int memoryMapIdx, int runOffset, int pageSize, int elemSize) {
this.chunk = chunk;
this.memoryMapIdx = memoryMapIdx;
this.runOffset = runOffset;
this.pageSize = pageSize;
bitmap = new long[pageSize >>> 10];
init(head, elemSize);
}
这里重点关注属性bitmap, 这是一个long类型的数组, 初始大小为8, 这里只是初始化的大小, 真正的大小要根据将page切分多少块而确定
这里将属性进行了赋值, 我们跟到init方法中:
void init(PoolSubpage<T> head, int elemSize) {
doNotDestroy = true;
this.elemSize = elemSize;
if (elemSize != 0) {
maxNumElems = numAvail = pageSize / elemSize;
nextAvail = 0;
bitmapLength = maxNumElems >>> 6;
if ((maxNumElems & 63) != 0) {
bitmapLength ++;
}
for (int i = 0; i < bitmapLength; i ++) {
//bitmap标识哪个子page被分配
//0标识未分配, 1表示已分配
bitmap [i] = 0;
}
}
//加到arena里面
addToPool(head);
}
this.elemSize = elemSize 表示保存当前分配的缓冲区大小, 这里我们以16字节举例, 所以这里是16
maxNumElems = numAvail = pageSize / elemSize 这里初始化了两个属性maxNumElems, numAvail, 值都为pageSize / elemSize, 表示一个page大小除以分配的缓冲区大小, 也就是表示当前page被划分了多少分
numAvail则表示剩余可用的块数, 由于第一次分配都是可用的, 所以 numAvail=maxNumElems
bitmapLength表示bitmap的实际大小, 刚才我们分析过, bitmap初始化的大小为8, 但实际上并不一定需要8个元素, 元素个数要根据page切分的子块而定, 这里的大小是所切分的子块数除以64
再往下看, if ((maxNumElems & 63) != 0) 判断maxNumElems也就是当前配置所切分的子块是不是64的倍数, 如果不是, 则bitmapLength加1,
最后通过循环, 将其分配的大小中的元素赋值为0
这里详细介绍一下有关bitmap, 这里是个long类型的数组, long数组中的每一个值, 也就是long类型的数字, 其中的每一个比特位, 都标记着page中每一个子块的内存是否已分配, 如果比特位是1, 表示该子块已分配, 如果比特位是0, 表示该子块未分配, 标记顺序是其二进制数从低位到高位进行排列
这里, 我们应该知道为什么bitmap大小要设置为子块数量除以, 64, 因为long类型的数字是64位, 每一个元素能记录64个子块的数量, 这样就可以通过子page个数除以64的方式决定bitmap中元素的数量
如果子块不能整除64, 则通过元素数量+1方式, 除以64之后剩余的子块通过long中比特位由低到高进行排列记录
这里的逻辑结构如下所示:
5-8-3
我们跟到addToPool(head)中:
private void addToPool(PoolSubpage<T> head) {
assert prev == null && next == null;
prev = head;
next = head.next;
next.prev = this;
head.next = this;
}
这里的head我们刚才讲过, 是Arena中数组tinySubpagePools中的元素, 通过以上逻辑, 就会将新创建的Subpage通过双向链表的方式关联到tinySubpagePools中的元素, 我们以16字节为例, 关联关系如图所示:
5-8-4
这样, 下次如果还需要分配16字节的内存, 就可以通过tinySubpagePools找到其元素关联的subpage进行分配了
我们再回到PoolChunk的allocateSubpage方法中:
private long allocateSubpage(int normCapacity) {
PoolSubpage<T> head = arena.findSubpagePoolHead(normCapacity);
synchronized (head) {
int d = maxOrder;
//表示在第11层分配节点
int id = allocateNode(d);
if (id < 0) {
return id;
}
//获取初始化的subpage
final PoolSubpage<T>[] subpages = this.subpages;
final int pageSize = this.pageSize;
freeBytes -= pageSize;
//表示第几个subpageIdx
int subpageIdx = subpageIdx(id);
PoolSubpage<T> subpage = subpages[subpageIdx];
if (subpage == null) {
//如果subpage为空
subpage = new PoolSubpage<T>(head, this, id, runOffset(id), pageSize, normCapacity);
//则将当前的下标赋值为subpage
subpages[subpageIdx] = subpage;
} else {
subpage.init(head, normCapacity);
}
//取出一个子page
return subpage.allocate();
}
}
创建完了一个subpage, 我们就可以通过subpage.allocate()方法进行内存分配了
我们跟到allocate()方法中:
long allocate() {
if (elemSize == 0) {
return toHandle(0);
}
if (numAvail == 0 || !doNotDestroy) {
return -1;
}
//取一个bitmap中可用的id(绝对id)
final int bitmapIdx = getNextAvail();
//除以64(bitmap的相对下标)
int q = bitmapIdx >>> 6;
//除以64取余, 其实就是当前绝对id的偏移量
int r = bitmapIdx & 63;
assert (bitmap[q] >>> r & 1) == 0;
//当前位标记为1
bitmap[q] |= 1L << r;
//如果可用的子page为0
//可用的子page-1
if (-- numAvail == 0) {
//则移除相关子page
removeFromPool();
}
//bitmapIdx转换成handler
return toHandle(bitmapIdx);
}
这里的逻辑看起来比较复杂, 这里带着大家一点点剖析:
首先看:
final int bitmapIdx = getNextAvail();
其中bitmapIdx表示从bitmap中找到一个可用的bit位的下标, 注意, 这里是bit的下标, 并不是数组的下标, 我们之前分析过, 因为每一比特位代表一个子块的内存分配情况, 通过这个下标就可以知道那个比特位是未分配状态
我们跟进这个方法:
private int getNextAvail() {
//nextAvail=0
int nextAvail = this.nextAvail;
if (nextAvail >= 0) {
//一个子page被释放之后, 会记录当前子page的bitmapIdx的位置, 下次分配可以直接通过bitmapIdx拿到一个子page
this.nextAvail = -1;
return nextAvail;
}
return findNextAvail();
}
这里nextAvail, 表示下一个可用的bitmapIdx, 在释放的时候的会被标记, 标记被释放的子块对应bitmapIdx的下标, 如果<0则代表没有被释放的子块, 则通过findNextAvail方法进行查找
我们继续跟进findNextAvail方法:
private int findNextAvail() {
//当前long数组
final long[] bitmap = this.bitmap;
//获取其长度
final int bitmapLength = this.bitmapLength;
for (int i = 0; i < bitmapLength; i ++) {
//第i个
long bits = bitmap[i];
//!=-1 说明64位没有全部占满
if (~bits != 0) {
//找下一个节点
return findNextAvail0(i, bits);
}
}
return -1;
}
这里会遍历bitmap中的每一个元素, 如果当前元素中所有的比特位并没有全部标记被使用, 则通过findNextAvail0(i, bits)方法挨个往后找标记未使用的比特位
再继续跟findNextAvail0:
private int findNextAvail0(int i, long bits) {
//多少份
final int maxNumElems = this.maxNumElems;
//乘以64, 代表当前long的第一个下标
final int baseVal = i << 6;
//循环64次(指代当前的下标)
for (int j = 0; j < 64; j ++) {
//第一位为0(如果是2的倍数, 则第一位就是0)
if ((bits & 1) == 0) {
//这里相当于加, 将i*64之后加上j, 获取绝对下标
int val = baseVal | j;
//小于块数(不能越界)
if (val < maxNumElems) {
return val;
} else {
break;
}
}
//当前下标不为0
//右移一位
bits >>>= 1;
}
return -1;
}
这里从当前元素的第一个比特位开始找, 直到找到一个标记为0的比特位, 并返回当前比特位的下标, 大概流程如下图所示:
5-8-5
我们回到allocate()方法中:
long allocate() {
if (elemSize == 0) {
return toHandle(0);
}
if (numAvail == 0 || !doNotDestroy) {
return -1;
}
//取一个bitmap中可用的id(绝对id)
final int bitmapIdx = getNextAvail();
//除以64(bitmap的相对下标)
int q = bitmapIdx >>> 6;
//除以64取余, 其实就是当前绝对id的偏移量
int r = bitmapIdx & 63;
assert (bitmap[q] >>> r & 1) == 0;
//当前位标记为1
bitmap[q] |= 1L << r;
//如果可用的子page为0
//可用的子page-1
if (-- numAvail == 0) {
//则移除相关子page
removeFromPool();
}
//bitmapIdx转换成handler
return toHandle(bitmapIdx);
}
找到可用的bitmapIdx之后, 通过 int q = bitmapIdx >>> 6 获取bitmap中bitmapIdx所属元素的数组下标
int r = bitmapIdx & 63 表示获取bitmapIdx的位置是从当前元素最低位开始的第几个比特位
bitmap[q] |= 1L << r 是将bitmap的位置设置为不可用, 也就是比特位设置为1, 表示已占用
然后将可用子配置的数量numAvail减一
如果没有可用子page的数量, 则会将PoolArena中的数组tinySubpagePools所关联的subpage进行移除, 移除之后参考图5-8-1
最后通过toHandle(bitmapIdx)获取当前子块的handle, 上一小节我们知道handle指向的是当前chunk中的唯一的一块内存, 我们跟进toHandle(bitmapIdx)中:
private long toHandle(int bitmapIdx) {
return 0x4000000000000000L | (long) bitmapIdx << 32 | memoryMapIdx;
}
(long) bitmapIdx << 32 是将bitmapIdx右移32位, 而32位正好是一个int的长度, 这样, 通过 (long) bitmapIdx << 32 | memoryMapIdx 计算, 就可以将memoryMapIdx, 也就是page所属的下标的二进制数保存在 (long) bitmapIdx << 32 的低32位中
0x4000000000000000L是一个最高位是1并且所有低位都是0的二进制数, 这样通过按位或的方式可以将 (long) bitmapIdx << 32 | memoryMapIdx 计算出来的结果保存在0x4000000000000000L的所有低位中, 这样, 返回对的数字就可以指向chunk中唯一的一块内存
我们回到PoolArena的allocateNormal方法中:
private synchronized void allocateNormal(PooledByteBuf<T> buf, int reqCapacity, int normCapacity) {
//首先在原来的chunk上进行内存分配(1)
if (q050.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) || q025.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) ||
q000.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) || qInit.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity) ||
q075.allocate(buf, reqCapacity, normCapacity)) {
++allocationsNormal;
return;
}
//创建chunk进行内存分配(2)
PoolChunk<T> c = newChunk(pageSize, maxOrder, pageShifts, chunkSize);
long handle = c.allocate(normCapacity);
++allocationsNormal;
assert handle > 0;
//初始化byteBuf(3)
c.initBuf(buf, handle, reqCapacity);
qInit.add(c);
}
我们分析完了long handle = c.allocate(normCapacity)这步, 这里返回的handle就指向chunk中的某个page中的某个子块所对应的连续内存
最后, 通过iniBuf初始化之后, 将创建的chunk加到ChunkList里面
我们跟到initBuf方法中:
void initBuf(PooledByteBuf<T> buf, long handle, int reqCapacity) {
int memoryMapIdx = memoryMapIdx(handle);
//bitmapIdx是后面分配subpage时候使用到的
int bitmapIdx = bitmapIdx(handle);
if (bitmapIdx == 0) {
byte val = value(memoryMapIdx);
assert val == unusable : String.valueOf(val);
//runOffset(memoryMapIdx):偏移量
//runLength(memoryMapIdx):当前节点的长度
buf.init(this, handle, runOffset(memoryMapIdx), reqCapacity, runLength(memoryMapIdx),
arena.parent.threadCache());
} else {
initBufWithSubpage(buf, handle, bitmapIdx, reqCapacity);
}
}
这部分在之前的小节我们剖析过, 相信大家不会陌生, 这里有区别的是 if (bitmapIdx == 0) 的判断, 这里的bitmapIdx不会是0, 这样, 就会走到initBufWithSubpage(buf, handle, bitmapIdx, reqCapacity)方法中
跟到initBufWithSubpage方法:
private void initBufWithSubpage(PooledByteBuf<T> buf, long handle, int bitmapIdx, int reqCapacity) {
assert bitmapIdx != 0;
int memoryMapIdx = memoryMapIdx(handle);
PoolSubpage<T> subpage = subpages[subpageIdx(memoryMapIdx)];
assert subpage.doNotDestroy;
assert reqCapacity <= subpage.elemSize;
buf.init(
this, handle,
runOffset(memoryMapIdx) + (bitmapIdx & 0x3FFFFFFF) * subpage.elemSize, reqCapacity, subpage.elemSize,
arena.parent.threadCache());
}
首先拿到memoryMapIdx, 这里会将我们之前计算handle传入, 跟进去:
private static int memoryMapIdx(long handle) {
return (int) handle;
}
这里将其强制转化为int类型, 也就是去掉高32位, 这样就得到memoryMapIdx
回到initBufWithSubpage方法中:
我们注意在buf调用init方法中的一个参数: runOffset(memoryMapIdx) + (bitmapIdx & 0x3FFFFFFF) * subpage.elemSize
这里的偏移量就是, 原来page的偏移量+子块的偏移量
bitmapIdx & 0x3FFFFFFF 代表当前分配的子page是属于第几个子page
(bitmapIdx & 0x3FFFFFFF) * subpage.elemSize 表示在当前page的偏移量
这样, 分配的ByteBuf在内存读写的时候, 就会根据偏移量进行读写
最后我们跟到init方法中
void init(PoolChunk<T> chunk, long handle, int offset, int length, int maxLength, PoolThreadCache cache) {
//初始化
assert handle >= 0;
assert chunk != null;
//在哪一块内存上进行分配的
this.chunk = chunk;
//这一块内存上的哪一块连续内存
this.handle = handle;
memory = chunk.memory;
//偏移量
this.offset = offset;
this.length = length;
this.maxLength = maxLength;
tmpNioBuf = null;
this.cache = cache;
}
这里又是我们熟悉的逻辑, 初始化了属性之后, 一个缓冲区分配完成
以上就是Subpage级别的缓冲区分配逻辑