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ThreadCache线程缓存

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一.ThreadCache整体结构

1.基本结构

定长内存池利用一个自由链表管理释放回来的固定大小的内存obj。
ThreadCache需要支持申请和释放不同大小的内存块，因此需要多个自由链表来管理释放回来的内存块.即ThreadCache实际上一个哈希桶结构，每个桶中存放的都是一个自由链表。

2.对齐规则和下标索引

规定ThreadCache支持<=256KB内存的申请，如果我们将每种字节数的内存块都用一个自由链表进行管理的话，那么此时我们就需要20多万个自由链表，光是存储这些自由链表的头指针就需要消耗大量内存，这显然是得不偿失的。  
这时可以选择做一些平衡的牺牲，让一定区间内的字节数统一为某个size,
然后用一个桶的自由链表来管理.
即按照某种规则进行内存对齐(但同时产生内碎片问题)

二.函数调用层次结构

//小于等于MAX_BYTES，就找thread cache申请
//大于MAX_BYTES，就直接找page cache或者系统堆申请
static const size_t MAX_BYTES = 256 * 1024;
//thread cache和central cache自由链表哈希桶的表大小
static const size_t NFREELISTS = 208;

三.FreeList的封装

NextObj管理内存obj的前4/8个字节,用来指向下一块内存
    size_t _maxSize = 1;//此时一次申请的最大obj个数
    size_t _size = 0;//自由链表中的内存obj的个数

static void*& NextObj(void* obj)
{
	return *(void**)obj;
}
// 管理切分好的小对象的自由链表
class FreeList
{
public:
	void Push(void* obj)
	{
		assert(obj);
		// 头插
		NextObj(obj) = _freeList;
		_freeList = obj;

		++_size;
	}
	void PushRange(void* start, void* end, size_t n)
	{
		NextObj(end) = _freeList;
		_freeList = start;
		_size += n;
	}
	void PopRange(void*& start, void*& end, size_t n)
	{
		assert(n <= _size);
		start = _freeList;
		end = start;

		for (size_t i = 0; i < n - 1; ++i)
		{
			end = NextObj(end);
		}

		_freeList = NextObj(end);
		NextObj(end) = nullptr;
		_size -= n;
	}
	void* Pop()
	{
		assert(_freeList);

		// 头删
		void* obj = _freeList;
		_freeList = NextObj(obj);
		--_size;

		return obj;
	}
	bool Empty()
	{
		return _freeList == nullptr;
	}
	size_t& MaxSize()
	{
		return _maxSize;
	}
	size_t Size()
	{
		return _size;
	}

private:
	void* _freeList = nullptr;
	size_t _maxSize = 1;//此时一次申请的最大obj个数
	size_t _size = 0;//自由链表中的内存obj的个数
};

四.字节数向上对齐规则RoundUp

1.RoundUp基本逻辑

static inline size_t RoundUp(size_t size)
{
	if (size <= 128)
		return _RoundUp(size, 8);
	else if (size <= 1024)
		return _RoundUp(size, 16);
	else if (size <= 8 * 1024)
		return _RoundUp(size, 128);
	else if (size <= 64 * 1024)
		return _RoundUp(size, 1024);
	else if (size <= 256 * 1024)
		return _RoundUp(size, 8 * 1024);
	else
		return _RoundUp(size, 1 << PAGE_SHIFT);
	}

2.子函数_RoundUp

	size_t _RoundUp(size_t size, size_t alignNum)
	{
		size_t alignSize;
		if (size % alignNum != 0)
		{
			alignSize = (size / alignNum + 1)*alignNum;
		}
		else
		{
			alignSize = size;
		}

		return alignSize;
	}

3.优化为位运算

static inline size_t _RoundUp(size_t bytes, size_t alignNum)
{
	return ((bytes + alignNum - 1) & ~(alignNum - 1));
}

五.字节数映射哈希桶下标Index

1.Index基本逻辑

	// 计算映射的哪一个自由链表桶
	static inline size_t Index(size_t bytes)
	{
		assert(bytes <= MAX_BYTES);

		// 每个区间有多少个链
		static int group_array[4] = { 16, 56, 56, 56 };
		if (bytes <= 128) {
			return _Index(bytes, 3);
		}
		else if (bytes <= 1024) {
			return _Index(bytes - 128, 4) + group_array[0];
		}
		else if (bytes <= 8 * 1024) {
			return _Index(bytes - 1024, 7) + group_array[1] + group_array[0];
		}
		else if (bytes <= 64 * 1024) {
			return _Index(bytes - 8 * 1024, 10) + group_array[2] + group_array[1] + group_array[0];
		}
		else if (bytes <= 256 * 1024) {
			return _Index(bytes - 64 * 1024, 13) + group_array[3] + group_array[2] + group_array[1] + group_array[0];
		}
		else {
			assert(false);
		}

		return -1;
	}

2.子函数_Index

    size_t _Index(size_t bytes, size_t alignNum)
	{
		if (bytes % alignNum == 0)
		{
			return bytes / alignNum - 1;
		}
		else
		{
			return bytes / alignNum;
		}
	}

3.优化为位运算

	static inline size_t _Index(size_t bytes, size_t align_shift)
	{
		return ((bytes + (1 << align_shift) - 1) >> align_shift) - 1;
	}

六.Allocate申请内存实现

 在ThreadCache申请对象时，通过所给字节数计算出对应的哈希桶下标，如果桶中自由链表不为空，则从该自由链表中pop一个对象进行返回即可；但如果此时自由链表为空，那么我们就需要从CentralCache进行获取了，即FetchFromCentralCache函数

void* ThreadCache::Allocate(size_t size)
{
	assert(size <= MAX_BYTES);
	//1.计算对齐后所需内存
	size_t alignSize = SizeClass::RoundUp(size);
	//2.计算要挂接的桶的下标
	size_t index = SizeClass::Index(size);

	if (!_freeLists[index].Empty())
	{
		return _freeLists[index].Pop();
	}
	else
	{
		return FetchFromCentralCache(index, alignSize);
	}
}

七.FetchFromCentralCache

每次ThreadCache向CentralCache申请对象时，我们先通过慢开始反馈调节算法计算出本次应该申请的对象的个数

  如果ThreadCache最终申请到对象的个数就是一个，那么直接将该对象返回即可。
当ThreadCache中没有对象时,会向CentralCache中获取一个批量的内存obj(避免频繁申请)

ThreadCache最终申请到的是多个对象，将第一个对象返回后，还需要将剩下的对象挂到ThreadCache对应的哈希桶当中。

void* ThreadCache::FetchFromCentralCache(size_t index, size_t size)
{
	// 慢开始反馈调节算法
	// 1、最开始不会一次向CentralCache一次批量要太多，因为要太多了可能用不完
	// 2、如果你不要这个size大小内存需求，那么batchNum就会不断增长，直到上限
	// 3、size越大，一次向CentralCache要的batchNum就越小
	// 4、size越小，一次向CentralCache要的batchNum就越大
	size_t batchNum = min(_freeLists[index].MaxSize(), SizeClass::NumMoveSize(size));
	if (_freeLists[index].MaxSize() == batchNum)
	{
		_freeLists[index].MaxSize() += 1;
	}

	void* start = nullptr, * end = nullptr;
	size_t actualNum = CentralCache::GetInstance()->FetchRangeObj(start, end, batchNum, size);
	assert(actualNum >= 1);

	if (actualNum == 1)
	{
		assert(start == end);
		return start;
	}

	_freeLists[index].PushRange(NextObj(start), end, actualNum - 1);
	return start;
}

NumMoveSize的实现

	// 一次thread cache从中心缓存获取多少个
	static size_t NumMoveSize(size_t size)
	{
		assert(size > 0);

		// [2, 512]，一次批量移动多少个对象的(慢启动)上限值
		// 小对象一次批量上限高
		// 小对象一次批量上限低
		int num = MAX_BYTES / size;
		if (num < 2)
			num = 2;
		//[0.5kb,128kb]
		if (num > 512)
			num = 512;

		return num;
	}

八.Deallocate释放内存实现

 当某个线程申请的对象不用了，可以将其释放给ThreadCache，然后ThreadCache将该对象插入到对应哈希桶的自由链表当中即可。

  但是随着线程不断的释放，对应自由链表的长度也会越来越长，这些内存堆积在一个thread cache中就是一种浪费，我们应该将这些内存还给CentralCache，
这样一来，这些内存对其他线程来说也是可申请的，因此当ThreadCache某个桶当中的自由链表太长时我们可以进行一些处理。  
当ThreadCache某个桶当中自由链表的长度超过它一次批量向CentralCache申请的对象个数，那么此时我们就要把该自由链表当中的这些对象还给CentralCache

void ThreadCache::Deallocate(void* obj, size_t size)
{
	assert(obj);
	assert(size <= MAX_BYTES);

	//1.将释放的内存还到_freeLists对应的桶中
	size_t index = SizeClass::Index(size);
	_freeLists[index].Push(obj);

	//2._freeLists[index]挂的桶数大于最近的一个批量就还给CentralCache
	if (_freeLists[index].Size() >= _freeLists[index].MaxSize())
	{
		//3.从桶中获取一个批量的对象+还给CentralCache
		ListTooLong(_freeLists[index], size);
	}
}

ListTooLong获取内存块批量

void ThreadCache::ListTooLong(FreeList& list, size_t size)
{
	assert(size > 0);
	void* start, * end = nullptr;
	//[begin,end]即为取出的批量
	//将批量还给CentralCache对应的span
	list.PopRange(start, end, list.MaxSize());

	CentralCache::GetInstance()->ReleaseListToSpans(start, size);
}

九.ThreadCacheTLS线程局部存储

  每个线程都有一个自己独享的thread cache，那应该如何创建这个thread cache呢？我们不能将这个thread cache创建为全局的，因为全局变量是所有线程共享的，这样就不可避免的需要锁来控制，增加了控制成本和代码复杂度。  

要实现每个线程无锁的访问属于自己的thread cache，我们需要用到线程局部存储TLS(Thread Local Storage),使用该存储方法的变量在它所在的线程是全局可访问的，但是不能被其他线程访问到，这样就保持了数据的线程独立性。

//TLS - Thread Local Storage
static _declspec(thread) ThreadCache* pTLSThreadCache = nullptr;

十.ThreadCache.cpp

#include "ThreadCache.h"
#include "CentralCache.h"

void* ThreadCache::FetchFromCentralCache(size_t index, size_t size)
{
	// 慢开始反馈调节算法
	// 1、最开始不会一次向CentralCache一次批量要太多，因为要太多了可能用不完
	// 2、如果你不要这个size大小内存需求，那么batchNum就会不断增长，直到上限
	// 3、size越大，一次向CentralCache要的batchNum就越小
	// 4、size越小，一次向CentralCache要的batchNum就越大
	size_t batchNum = min(_freeLists[index].MaxSize(), SizeClass::NumMoveSize(size));
	if (_freeLists[index].MaxSize() == batchNum)
	{
		_freeLists[index].MaxSize() += 1;
	}

	void* start = nullptr, * end = nullptr;
	size_t actualNum = CentralCache::GetInstance()->FetchRangeObj(start, end, batchNum, size);
	assert(actualNum >= 1);

	if (actualNum == 1)
	{
		assert(start == end);
		return start;
	}

	_freeLists[index].PushRange(NextObj(start), end, actualNum - 1);
	return start;
}

void* ThreadCache::Allocate(size_t size)
{
	assert(size <= MAX_BYTES);
	//1.计算对齐后所需内存
	size_t alignSize = SizeClass::RoundUp(size);
	//2.计算要挂接的桶的下标
	size_t index = SizeClass::Index(size);

	if (!_freeLists[index].Empty())
	{
		return _freeLists[index].Pop();
	}
	else
	{
		return FetchFromCentralCache(index, alignSize);
	}
}

void ThreadCache::Deallocate(void* obj, size_t size)
{
	assert(obj);
	assert(size <= MAX_BYTES);

	//1.将释放的内存还到_freeLists对应的桶中
	size_t index = SizeClass::Index(size);
	_freeLists[index].Push(obj);

	//2._freeLists[index]挂的桶数大于最近的一个批量就还给CentralCache
	if (_freeLists[index].Size() >= _freeLists[index].MaxSize())
	{
		//3.从桶中获取一个批量的对象+还给CentralCache
		ListTooLong(_freeLists[index], size);
	}
}

void ThreadCache::ListTooLong(FreeList& list, size_t size)
{
	assert(size > 0);
	void* start, * end = nullptr;
	//[begin,end]即为取出的批量
	//将批量还给CentralCache对应的span
	list.PopRange(start, end, list.MaxSize());

	CentralCache::GetInstance()->ReleaseListToSpans(start, size);
}

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