redis源码分析(一)内存管理

一，redis内存管理介绍 redis是一个基于内存的key-value的数据库，其内存管理是非常重要的，为了屏蔽不同平台之间的差异，以及统计内存占用量等，redis对内存分配函数进行了一层封装，程序中统一使用zmalloc，zfree一系列函数，其对应的源码在src/zmalloc.h

一，redis内存管理介绍

redis是一个基于内存的key-value的数据库，其内存管理是非常重要的，为了屏蔽不同平台之间的差异，以及统计内存占用量等，redis对内存分配函数进行了一层封装，程序中统一使用zmalloc，zfree一系列函数，其对应的源码在src/zmalloc.h和src/zmalloc.c两个文件中，源码点这里。

二，redis内存管理源码分析

redis封装是为了屏蔽底层平台的差异，同时方便自己实现相关的函数，我们可以通过src/zmalloc.h 文件中的相关宏定义来分析redis是怎么实现底层平台差异的屏蔽的，zmalloc.h 中相关宏声明如下：

#if defined(USE_TCMALLOC)
#define ZMALLOC_LIB ("tcmalloc-" __xstr(TC_VERSION_MAJOR) "." __xstr(TC_VERSION_MINOR))
#include <google/tcmalloc.h>
#if (TC_VERSION_MAJOR == 1 && TC_VERSION_MINOR >= 6) || (TC_VERSION_MAJOR > 1)
#define HAVE_MALLOC_SIZE 1
#define zmalloc_size(p) tc_malloc_size(p)
#else
#error "Newer version of tcmalloc required"
#endif

#elif defined(USE_JEMALLOC)
#define ZMALLOC_LIB ("jemalloc-" __xstr(JEMALLOC_VERSION_MAJOR) "." __xstr(JEMALLOC_VERSION_MINOR) "." __xstr(JEMALLOC_VERSION_BUGFIX))
#include <jemalloc/jemalloc.h>
#if (JEMALLOC_VERSION_MAJOR == 2 && JEMALLOC_VERSION_MINOR >= 1) || (JEMALLOC_VERSION_MAJOR > 2)
#define HAVE_MALLOC_SIZE 1
#define zmalloc_size(p) je_malloc_usable_size(p)
#else
#error "Newer version of jemalloc required"
#endif

#elif defined(__APPLE__)
#include <malloc/malloc.h>
#define HAVE_MALLOC_SIZE 1
#define zmalloc_size(p) malloc_size(p)
#endif

#ifndef ZMALLOC_LIB
#define ZMALLOC_LIB "libc"
#endif

...
#ifndef HAVE_MALLOC_SIZE
size_t zmalloc_size(void *ptr);
#endif

通过上面的宏的预处理我们可以发现redis为了屏蔽不同系统(库)的差异进行了如下预处理：

A，若系统中存在Google的TC_MALLOC库，则使用tc_malloc一族函数代替原本的malloc一族函数。

B，若系统中存在FaceBook的JEMALLOC库，则使用je_malloc一族函数代替原本的malloc一族函数。

C，若当前系统是Mac系统，则使用中的内存分配函数。

D，其他情况，在每一段分配好的空间前头，同时多分配一个定长的字段，用来记录分配的空间大小。

tc_malloc是google开源处理的一套内存管理库，是用C++实现的，主页在这里。TCMalloc给每个线程分配了一个线程局部缓存。小分配可以直接由线程局部缓存来满足。需要的话，会将对象从中央数据结构移动到线程局部缓存中，同时定期的垃圾收集将用于把内存从线程局部缓存迁移回中央数据结构中。这篇文章里对TCMalloc有个详细的介绍。

jemalloc 也是一个内存创管理库，其创始人Jason Evans也是在FreeBSD很有名的开发人员，参见这里。Jemalloc聚集了malloc的使用过程中所验证的很多技术。忽略细节，从架构着眼，最出色的部分仍是arena和thread cache。

读者一定会有疑问系统不是有了malloc 吗，为什么还有这样的内存管理库？？ 由于经典的libc的分配器碎片率为较高，可以查看这篇文章的分析，关于内存碎片不太了解的童鞋请参考这里， malloc 和free 怎么工作的参考这里。 关于ptmalloc,tcmalloc和jemalloc内存分配策略的一篇总结不错的文章，请点这里。

下面介绍redis封装的内存管理相关函数，src/zmalloc.h有相关声明。

void *zmalloc(size_t size);//malloc
void *zcalloc(size_t size);//calloc
void *zrealloc(void *ptr, size_t size);/realloc
void zfree(void *ptr);//free
char *zstrdup(const char *s);
size_t zmalloc_used_memory(void);
void zmalloc_enable_thread_safeness(void);
void zmalloc_set_oom_handler(void (*oom_handler)(size_t));
float zmalloc_get_fragmentation_ratio(void);
size_t zmalloc_get_rss(void);
size_t zmalloc_get_private_dirty(void);
void zlibc_free(void *ptr);

现在主要介绍下redis内存分配函数 void *zmalloc(size_t size)，其对应的声明形式如下：

void *zmalloc(size_t size) {
    void *ptr = malloc(size+PREFIX_SIZE);

    if (!ptr) zmalloc_oom_handler(size);
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
    update_zmalloc_stat_alloc(zmalloc_size(ptr));
    return ptr;
#else
    *((size_t*)ptr) = size;
    update_zmalloc_stat_alloc(size+PREFIX_SIZE);
    return (char*)ptr+PREFIX_SIZE;
#endif
}

阅读源码我们发现有个PREFIX_SIZE 宏，其宏定义形式如下：

/* zmalloc.c */
#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
#define PREFIX_SIZE (0)       
#else  
#if defined(__sun)
#define PREFIX_SIZE (sizeof(long long))
#else                         
#define PREFIX_SIZE (sizeof(size_t))
#endif
#endif

结合src/zmalloc.h有相关宏声明，我们发现，因为 tc_malloc 、je_malloc 和 Mac平台下的 malloc 函数族提供了计算已分配空间大小的函数（分别是tc_malloc_size, je_malloc_usable_size和malloc_size），所以就不需要单独分配一段空间记录大小了。在linux和sun平台则要记录分配空间大小。对于linux，使用sizeof(size_t)定长字段记录；对于sun 系统，使用sizeof(long long)定长字段记录，其对应源码中的 PREFIX_SIZE 宏。

PREFIX_SIZE 有什么用呢？

为了统计当前进程到底占用了多少内存。在 zmalloc.c 中，有一个静态变量：

static size_t used_memory = 0;

这个变量它记录了进程当前占用的内存总数。每当要分配内存或是释放内存的时候，都要更新这个变量(当然可以是线程安全的)。因为分配内存的时候，需要指定分配多少内存。但是释放内存的时候，（对于未提供malloc_size函数的内存库）通过指向要释放内存的指针是不能知道释放的空间到底有多大的。这时候，上面提到的PREFIX_SIZE就起作用了，可以通过其中记录的内容得到空间的大小。（不过在linux系统上也有相应的函数获得分配内存空间的大小,参见这里）。

通过zmalloc的源码我们可以发现，其分配空间代码为void *ptr = malloc(size+PREFIX_SIZE); 显然其分配空间大小为:size+PREFIX_SIZE ，对于使用tc_malloc或je_malloc的情况或mac系统，其 PREFIX_SIZE 为0。当分配失败时有相应的出错处理 。

前面我们已经说过redis通过使用used_memory 的变量来统计当前进程到底占用了多少内存，因此在分配和释放内存时我们需要紧接着更新used_memory 的相应值，对应到redis源码中为：

#ifdef HAVE_MALLOC_SIZE
    update_zmalloc_stat_alloc(zmalloc_size(ptr));
    return ptr;
#else
    *((size_t*)ptr) = size;
    update_zmalloc_stat_alloc(size+PREFIX_SIZE);
    return (char*)ptr+PREFIX_SIZE;
#endif

上面的代码有事宏预处理 #ifdef HAVE_MALLOC_SIZE 显然是上面我们说过的利用的tc_malloc je_malloc Mac等提供malloc_size函数的情形，我们可以很容易得知分配内存的大小通过统一化的malloc_size函数即可。但是对于没有提供malloc_size功能的函数，redis是怎么处理的呢？看上面的源码 #else下面的代码即是其实现，其对应的内存结构如下：

prefix-size

memory size

分配的内存前加一个固定大小的prefis-size空间，用于记录该段内存的大小，size所占据的内存大小是已知的，为size_t类型的长度，因此通过*((size_t*)ptr) = size; 即可对当前内存块大小进行指定。每次分配内存后，返回的实际地址指针为指向memorysize的地址( (char*)ptr+PREFIX_SIZE; )，通过该指针，可以很容易的计算出实际内存的头地址，从而释放内存。

redis通过update_zmalloc_stat_alloc(__n,__size) 和 update_zmalloc_stat_free(__n) 这两个宏负责在分配内存或是释放内存的时候更新used_memory变量。update_zmalloc_stat_alloc定义如下：

#define update_zmalloc_stat_alloc(__n) do { \
    size_t _n = (__n); \
    if (_n&(sizeof(long)-1)) _n += sizeof(long)-(_n&(sizeof(long)-1)); \ 
    if (zmalloc_thread_safe) { \
        update_zmalloc_stat_add(_n); \
    } else { \
        used_memory += _n; \
    } \
} while(0)

redis把这个更新操作写成宏的形式主要是处于效率的考虑。

上面的代码中

A，if (_n&(sizeof(long)-1)) _n += sizeof(long)-(_n&(sizeof(long)-1));
主要是考虑对齐问题，保证新增的_n 是 sizeof(long)的倍数。

B, if (zmalloc_thread_safe) { \
update_zmalloc_stat_add(_n); \

}

如果进程中有多个线程存在，并保证线程安全zmalloc_thread_safe，则在更新变量的时候要加锁。 通过宏HAVE_ATOMIC选择相应的同步机制。

zmalloc_calloc、zmalloc_free等的实现就不仔细介绍了详情参见源码。

最后讲解下 zmalloc_get_rss()函数。
这个函数用来获取进程的RSS。神马是RSS？全称为Resident Set Size，指实际使用物理内存（包含共享库占用的内存）。在linux系统中，可以通过读取/proc/pid/stat文件系统获取，pid为当前进程的进程号。读取到的不是byte数，而是内存页数。通过系统调用sysconf(_SC_PAGESIZE)可以获得当前系统的内存页大小。 获得进程的RSS后，可以计算目前数据的内存碎片大小，直接用rss除以used_memory。rss包含进程的所有内存使用，包括代码，共享库，堆栈等。 哪来的内存碎片？上面我们已经说明了通常考虑到效率，往往有内存对齐等方面的考虑，所以，碎片就在这里产生了。相比传统glibc中的malloc的内存利用率不是很高一般会使用别的内存库系统。在redis中默认的已经不使用简单的malloc了而是使用 jemalloc， 在源文件src/Makefile下有这样一段代码:

ifeq ($(uname_S),Linux)	MALLOC=jemalloc

可以知道在linux系统上默认使用jemalloc, 在redis发布的源码中有相关的库 deps/jemalloc 。

总的来说 redis则完全自主分配内存，在请求到的时候实时根据内建的算法分配内存，完全自主控制内存的管理。简单即是没吧，不过功能确实强大。