【leveldb】arena内存结构

本文详细探讨了leveldb中的arena内存管理机制,包括数据结构、内存分配策略以及为什么arena内存只能增长而不能释放。在数据结构部分,讲解了arena如何存储和跟踪内存块。内存分配部分阐述了如何通过Allocate方法有效地分配内存,避免浪费。arena的内存释放策略是在arena对象销毁时统一释放,确保内存的增长性。

本文介绍arena内存管理的设计和实现。

arena是leveldb中一个非常简单的内存池,以下做详细介绍。

1 数据结构

arena数据结构如下,其中,blocks_保存着所有创建的block;blocks_memory_保存所有block申请的总空间;alloc_ptr_和alloc_bytes_remaining_分别是当前block的内存分配起始地址 和 可用空间大小。

  // Allocation state
  char* alloc_ptr_;
  size_t alloc_bytes_remaining_;

  // Array of new[] allocated memory blocks
  std::vector<char*> blocks_;

  // Bytes of memory in blocks allocated so far
  size_t blocks_memory_;

2 分配内存

inline char* Arena::Allocate(size_t bytes) {
  // The semantics of what to return are a bit messy if we allow
  // 0-byte allocations, so we disallow them here (we don't need
  // them for our internal use).
  assert(bytes > 0);
  if (bytes <= alloc_bytes_remaining_) {
    char* result = alloc_ptr_;
    alloc_ptr_ += bytes;
    alloc_bytes_remaining_ -= bytes;
    return result;
  }
  return AllocateFallback(bytes);
}
// Allocate memory with the normal align
### LevelDBArena内存管理机制 LevelDB 是一种高性能的键值存储库,其设计目标之一是通过高效的内存管理和磁盘 I/O 来提升性能。Arena(分配区)是一种用于减少动态内存分配开销的技术,在 LevelDB 中被广泛应用于优化内存分配效率。 #### 什么是 ArenaArena 是一种预分配大块连续内存并从中划分小块内存供程序使用的内存池技术。它能够显著降低频繁调用 `malloc` 和 `free` 所带来的性能损耗[^3]。具体来说: - **一次性分配大量内存**:当初始化时,Arena 会预先申请一块较大的连续内存区域。 - **按需分割**:随后每次需要分配较小的对象时,Arena 不再依赖系统的标准内存分配器,而是从已有的大块内存中切割出所需大小的部分。 - **无碎片化问题**:由于所有的对象都来自同一片连续的大块内存,因此可以有效避免传统堆分配中的内存碎片化现象。 这种策略特别适合于像 LevelDB 这样的场景——其中存在大量的短生命周期的小型数据结构实例创建需求。 #### 实现细节 以下是关于如何在 C++ 中实现 Arena 的一些核心概念和技术要点: 1. **内部缓冲区维护** - Arena 维护了一个链表或者数组形式的数据结构来跟踪当前剩余未使用的空间以及已经耗尽的空间区块。 - 当前活动缓冲区不足以满足新请求时,则自动扩展新的固定尺寸缓冲区加入到该列表尾部[^4]。 2. **高效指针算术运算** - 对齐规则处理:为了保证某些特定类型的正确对齐方式,可能还需要额外调整偏移量以确保返回地址始终符合硬件要求。 3. **线程安全性考量** 如果应用程序允许多个线程共享同一个 arena 实例的话,则必须引入同步原语保护关键部分以免发生竞争条件等问题;不过单线程环境下可以直接忽略这一点从而进一步简化逻辑复杂度。 下面给出一段简单的伪代码展示基本原理: ```cpp class Arena { private: static const size_t kBlockSize = 4 << 20; // 默认每块4MB struct BlockHeader { char* alloc_ptr_; // 下次分配起点位置 size_t avail_; // 可用字节数 BlockHeader *next_; explicit BlockHeader(size_t block_size):alloc_ptr_(reinterpret_cast<char*>(this)+sizeof(BlockHeader)), avail_(block_size-sizeof(BlockHeader)), next_(nullptr){} }; public: ~Arena(){ while(head_){ auto tmp=head_->next_; delete head_; head_=tmp; } } void* AllocateAligned(size_t bytes); void* AllocateFallback(size_t bytes); protected: bool GrowByAtLeast(size_t bytes); private: BlockHeader* head_{new BlockHeader(kBlockSize)}; }; void* Arena::AllocateAligned(size_t bytes) { if (bytes > head_->avail_) return AllocateFallback(bytes); uintptr_t current_unaligned = reinterpret_cast<uintptr_t>(head_->alloc_ptr_); uintptr_t aligned_address = AlignUp(current_unaligned, RequiredAlignment()); size_t padding_bytes = aligned_address - current_unaligned; if ((padding_bytes + bytes) > head_->avail_) return AllocateFallback(bytes); char* result = head_->alloc_ptr_ += padding_bytes; head_->avail_ -= padding_bytes; head_->alloc_ptr_[bytes]= '\0';// Null terminate string. head_->alloc_ptr_+=bytes; head_->avail_-=(bytes+1); return result; } bool Arena::GrowByAtLeast(size_t bytes){ BlockHeader* new_block=new BlockHeader(std::max<size_t>(kBlockSize,bytes)); new_block->next_=head_; head_=new_block; return true; } ``` 上述代码片段展示了如何构建一个基础版本的 Arena 类型,并提供了两个主要方法分别用来获取指定长度经过适当边界校正后的实际可写入区域起始点(`AllocateAligned`) ,还有另一个辅助函数负责应对超出现有容量情况下的扩容动作 (`GrowByAtLeast`) 。 #### 总结 通过对 LevelDBArena 技巧的学习我们可以了解到这是一种非常实用且有效的解决办法去改善那些涉及高频次小型对象生成销毁过程的应用场合的整体表现水平。不仅限于此领域之外其他任何地方只要面临相似挑战同样值得借鉴采纳此类设计方案加以改进优化。
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