TCMalloc源码阅读（二）--线程局部缓存ClassSize分析

TCMalloc小对象分配机制

首先我们回顾下TCMalloc文档的小对象分配机制。文档中说明TCMalloc给每个线程都保存一个缓存池，缓存池里有各种大小的内存对象。小内存分配过程如下：

1. 将要分配的大小映射到对应的对齐对象。

2. 在当前线程的局部缓存中查找该对齐对象链表。

3. 如果该链表不为空，删除链表第一个节点并返回给调用者。

问题

1. 小对象是如何划分的？

2. 对于任意一个小于kMaxSize的size是如何映射到某一种缓存对象上？

本文将通过分析源代码来弄清楚这两个问题。

SizeMap分析

在do_malloc函数中有如下两行代码：

size_t cl = Static::sizemap()->SizeClass(size);

size = Static::sizemap()->class_to_size(cl);

不难理解，这两行代码就是size映射到它最接近的缓存对象上。接下来继续探究SizeClass(size_t)和class_to_(size_t)两个函数,这两个函数在common.h文件中，代码如下：

class SizeMap
{
private:
... //其他暂时不关心的
//-------------------------------------------------------------------
// Mapping from size to size_class and vice versa
//-------------------------------------------------------------------

// Sizes <= 1024 have an alignment >= 8.  So for such sizes we have an
// array indexed by ceil(size/8).  Sizes > 1024 have an alignment >= 128.
// So for these larger sizes we have an array indexed by ceil(size/128).
//
// We flatten both logical arrays into one physical array and use
// arithmetic to compute an appropriate index.  The constants used by
// ClassIndex() were selected to make the flattening work.
//
// Examples:
//   Size       Expression                      Index
//   -------------------------------------------------------
//   0          (0 + 7) / 8                     0
//   1          (1 + 7) / 8                     1
//   ...
//   1024       (1024 + 7) / 8                  128
//   1025       (1025 + 127 + (120<<7)) / 128   129
//   ...
//   32768      (32768 + 127 + (120<<7)) / 128  376
static const int kMaxSmallSize = 1024;
static const size_t kClassArraySize =
((kMaxSize + 127 + (120 << 7)) >> 7) + 1;
unsigned char class_array_[kClassArraySize];

// Compute index of the class_array[] entry for a given size
static inline int ClassIndex(int s) {
ASSERT(0 <= s);
ASSERT(s <= kMaxSize);
const bool big = (s > kMaxSmallSize);
const int add_amount = big ? (127 + (120<<7)) : 7;
const int shift_amount = big ? 7 : 3;
return (s + add_amount) >> shift_amount;
}

// Mapping from size class to max size storable in that class
size_t class_to_size_[kNumClasses];
public:
inline int SizeClass(int size) {
return class_array_[ClassIndex(size)];
}

...//暂时不关心的
// Mapping from size class to max size storable in that class
inline size_t class_to_size(size_t cl) {
return class_to_size_[cl];
}
}

原来SizeClass只是返回class_array_数组中的某个元素，这元素的索引由ClassIndex函数计算。ClassIndex的计算逻辑也很简单，size<=1024的按8字节对齐，size>1024的按128字节对齐。这样对于[0,1,2,...,1024]就映射成了[0,1,...,128],对于[1025,1026,...,kMaxSize]就会映射成[9,10,...,2048]. 我们需要将这两数组按照原来size的顺序合并成一个数组。1024映射成了128，按理，1025应该映射成129.
为达到该目的，我们将后面的一个数组全部加上120，这样两个数组就可以合并成[0,1,...,128,129,...,2168]。

如此就不难理解当size<=1024时size=(size+7)/8,位运算表达式为：(size+7)>>3. 当size>1024时，size=(size+127+120*128)/128, 位运算表达式为:(size+127+(120<<7))>>7

ClassIndex(size_t)算是搞清楚了，但是从代码中可以看出ClassIndex计算出来的只是class_array_的索引值。class_array_里存储的是class_to_size_的索引，class_to_size_的大小为kNumClass，kNumClass的定义如下：

#if defined(TCMALLOC_LARGE_PAGES)
static const size_t kPageShift  = 15;
static const size_t kNumClasses = 78;
#else
static const size_t kPageShift  = 13;
static const size_t kNumClasses = 86;
#endif

class_arrar_和class_to_size_的初始化代码如下：

// Initialize the mapping arrays
void SizeMap::Init() {
// Do some sanity checking on add_amount[]/shift_amount[]/class_array[]
...
// Compute the size classes we want to use
int sc = 1;   // Next size class to assign
int alignment = kAlignment;
CHECK_CONDITION(kAlignment <= 16);
for (size_t size = kAlignment; size <= kMaxSize; size += alignment) {
alignment = AlignmentForSize(size);
...
if (sc > 1 && my_pages == class_to_pages_[sc-1]) {
// See if we can merge this into the previous class without
// increasing the fragmentation of the previous class.
const size_t my_objects = (my_pages << kPageShift) / size;
const size_t prev_objects = (class_to_pages_[sc-1] << kPageShift)
/ class_to_size_[sc-1];
if (my_objects == prev_objects) {
// Adjust last class to include this size
class_to_size_[sc-1] = size;
continue;
}
}

// Add new class
class_to_pages_[sc] = my_pages;
class_to_size_[sc] = size;
sc++;
}
...
// Initialize the mapping arrays
int next_size = 0;
for (int c = 1; c < kNumClasses; c++) {
const int max_size_in_class = class_to_size_[c];
for (int s = next_size; s <= max_size_in_class; s += kAlignment) {
class_array_[ClassIndex(s)] = c;
}
next_size = max_size_in_class + kAlignment;
}

// Double-check sizes just to be safe
...

// Initialize the num_objects_to_move array.
...
}

代码中还包含了其他的成员初始化，这些目前都不是我们关心的，为更清楚了解class_array_和class_to_size_是如何初始化的，我们删除不必要的代码。class_to_size_保存了每一类对齐内存对象的大小，各类大小的关系大致为：class_to_size_
=class_to_size_[n-1]+AlignmentForSize(class_to_size_[n-1])。代码中还有一些对齐类的大小是需要调整的，这里先不考虑。
AlignmentForSize函数的代码实现如下：

static inline int LgFloor(size_t n) {
int log = 0;
for (int i = 4; i >= 0; --i) {
int shift = (1 << i);
size_t x = n >> shift;
if (x != 0) {
n = x;
log += shift;
}
}
ASSERT(n == 1);
return log;
}
int AlignmentForSize(size_t size) {
int alignment = kAlignment;
if (size > kMaxSize) {
// Cap alignment at kPageSize for large sizes.
alignment = kPageSize;
} else if (size >= 128) {
// Space wasted due to alignment is at most 1/8, i.e., 12.5%.
alignment = (1 << LgFloor(size)) / 8;
} else if (size >= 16) {
// We need an alignment of at least 16 bytes to satisfy
// requirements for some SSE types.
alignment = 16;
}
// Maximum alignment allowed is page size alignment.
if (alignment > kPageSize) {
alignment = kPageSize;
}
CHECK_CONDITION(size < 16 || alignment >= 16);
CHECK_CONDITION((alignment & (alignment - 1)) == 0);
return alignment;
}

先说下LgFloor函数，该函数的功能是返回size值的最高位1的位置。

例如，LgFloor(8)=3, LgFloor(9)=3, LgFloor(10)=3,...,LgFloor(16)=4,...

通过AlignmentForSize函数，我们不难得知class_to_size_的分类规则大致如下：

size在[16,128]之间按16字节对齐，size在[129,256*1024]之间按(2^(n+1)-2^n)/8对齐，n为7~18,

即[129,130,...,256*1024]会被映射为[128+16,128+2*16,...,128+8*16,256+32,256+2*32,...,256+8*32],超过256*1024以上的按页对齐。

因为ClassIndex计算出来的结果还是太密集了，因此需要通过class_array_来索引到其真正映射到的对齐类。

总结

1. 线程局部缓存将[0~256*1024]范围的内存按如下规则对齐：

size<16,8字节对齐，对齐结果[8,16]

size在[16,128)之间，按16字节对齐，对齐结果[32,48,...,128]

size在[128,256*1024)，按(2^(n+1)-2^n)/8对齐，对齐结果[128+16,128+2*16,...,128+8*16,256+32,256+2*32,...,256+8*32]

2. 用class_to_size_保存所有对齐结果。

3. class_array_保存ClassIndex(size)到class_to_size_的映射关系。

4. ClassIndex(size)通过简单的字节对齐算法计算class_array_的索引。