C语言级联内存池之轻松零拷贝IPC

让程序轻松跨越堆与共享内存的障碍，轻松实现零拷贝IPC

什么是级联内存池？
如何让程序轻松跨越堆与共享内存的障碍？
如何轻松实现零拷贝IPC？
本文给你带来不一样的程序设计视野

以前的文章中，码哥介绍过利用内存池有哪些优点，我们列举如下：

1. 集中释放，便于编码逻辑，集中释放减少空洞
2. 特定的分配释放算法及池结构，可以借助指令预取及cache命中来提升性能
3. 延迟释放闲置内存块，通过提升复用率来提升分配效率

因此，本文不再赘述上面的部分。

这篇文章我们介绍一种级联结构内存池，该内存池的实现可以参考：Github: Melon库

池结构的模型大致如下：

               -------------
               |    父池    |
               -------------
                 |     |
         -----------  ---------
        | 子池1     | | 子池2   |
         -----------  ---------
          |      |     ....
     --------   --------
    |  孙池1  | | 孙池2  |
     --------   --------

这种结构是什么意思呢？

子池所使用的内存及其所能分配的内存均来自于父池。故此，孙池的内存也是由其依赖的子池而来的。

在Melon库的内存池组件中，内存的来源有三处：

1. 堆内存（或者匿名映射区），即malloc库所提供
2. 共享内存（主要是用于主子进程间的共享，因此是mmap的匿名映射区共享）
3. 其他内存池管理的内存

我们先来看一个简单的内存池使用的例子：

示例一，Melon常规内存池使用举例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mln_core.h"
#include "mln_log.h"
#include "mln_alloc.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *p;
    mln_alloc_t *pool;
    struct mln_core_attr cattr;

    /* libmelon init begin*/
    cattr.argc = argc;
    cattr.argv = argv;
    cattr.global_init = NULL;
    cattr.master_process = NULL;
    cattr.worker_process = NULL;
    if (mln_core_init(&cattr) < 0) {
        fprintf(stderr, "init failed\n");
        return -1;
    }
    /* libmelon init end */

    pool = mln_alloc_init(NULL);
    if (pool == NULL) {
        mln_log(error, "pool init failed\n");
        return -1;
    }

    p = (char *)mln_alloc_m(pool, 6);
    if (p == NULL) {
        mln_log(error, "alloc failed\n");
        return -1;
    }

    memcpy(p, "hello", 5);
    p[5] = 0;
    mln_log(debug, "%s\n", p);

    mln_alloc_destroy(pool);

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个堆内存池，并且利用该内存池分配了6个字节的内存区用于写入"hello"字符串。

这个例子很常规，与很多常见开源软件中的用法类似（例如nginx）。

下面看一个级联使用的例子：

示例二，堆级联内存池

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mln_core.h"
#include "mln_log.h"
#include "mln_alloc.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *p;
    mln_alloc_t *pool, *parent;
    struct mln_core_attr cattr;

    /* libmelon init begin*/
    cattr.argc = argc;
    cattr.argv = argv;
    cattr.global_init = NULL;
    cattr.master_process = NULL;
    cattr.worker_process = NULL;
    if (mln_core_init(&cattr) < 0) {
        fprintf(stderr, "init failed\n");
        return -1;
    }
    /* libmelon init end */

    parent = mln_alloc_init(NULL);
    if (parent == NULL) {
        mln_log(error, "parent pool init failed\n");
        return -1;
    }

    pool = mln_alloc_init(parent);
    if (pool == NULL) {
        mln_log(error, "pool init failed\n");
        return -1;
    }

    p = (char *)mln_alloc_m(pool, 6);
    if (p == NULL) {
        mln_log(error, "alloc failed\n");
        return -1;
    }

    memcpy(p, "hello", 5);
    p[5] = 0;
    mln_log(debug, "%s\n", p);

    mln_alloc_destroy(parent);

    return 0;
}

可以看到，我们先从堆内存上创建了一个内存池名为parent，然后将其作为内存池pool的上层父池。在pool池创建后，我们从pool中分配一个6字节内存区，并写入hello字符串。

此时，内存区实际上是由父池parent分配而来，并在子池pool中被管理使用。换言之，这块内存区既被子池pool管理，也被父池parent管理。

最后，我们直接将父池parent进行了销毁，那么连带子池pool也就一同销毁了。

到这里，可能有的读者会问，这么多此一举的意义是什么？

我们可以通过下面一个例子来寻找答案：

示例三，共享内存级联池

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mln_core.h"
#include "mln_log.h"
#include "mln_alloc.h"
#include "mln_defs.h"

int func_lock(void *locker)
{
    printf("lock\n");
    MLN_LOCK((mln_lock_t *)locker);
    return 0;
}

int func_unlock(void *locker)
{
    printf("unlock\n");
    MLN_UNLOCK((mln_lock_t *)locker);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *p;
    mln_lock_t lock;
    mln_alloc_t *pool, *parent;
    struct mln_core_attr cattr;
    struct mln_alloc_shm_attr_s sattr;

    /* libmelon init begin*/
    cattr.argc = argc;
    cattr.argv = argv;
    cattr.global_init = NULL;
    cattr.master_process = NULL;
    cattr.worker_process = NULL;
    if (mln_core_init(&cattr) < 0) {
        fprintf(stderr, "init failed\n");
        return -1;
    }
    /* libmelon init begin*/

    /* create a shared memory pool*/
    MLN_LOCK_INIT(&lock);
    sattr.size = 10 * 1024 * 1024;
    sattr.locker = &lock;
    sattr.lock = func_lock;
    sattr.unlock = func_unlock;
    parent = mln_alloc_shm_init(&sattr);
    if (parent == NULL) {
        mln_log(error, "parent pool init failed\n");
        return -1;
    }

    pool = mln_alloc_init(parent);
    if (pool == NULL) {
        mln_log(error, "pool init failed\n");
        return -1;
    }

    p = (char *)mln_alloc_m(pool, 6);
    if (p == NULL) {
        mln_log(error, "alloc failed\n");
        return -1;
    }

    memcpy(p, "hello", 5);
    p[5] = 0;
    mln_log(debug, "%s\n", p);

    mln_alloc_destroy(parent);

    return 0;
}

读者可以对比示例二和示例三的差异。

在这个例子中，我们将parent初始化成一个基于共享内存的内存池。因为涉及进程间资源争抢，因此需要给出内存池所使用的锁资源及其操作原语（即加解锁回调）。此处额外说一句，Melon的共享内存使用的锁是由使用者自行定义的，而不是强制配备互斥量或者读写锁之类的。

随后，由子池pool分配了一个6字节内存区，这个内存区实际上是由共享内存中而来。

到此，不知道读者是否明白级联内存池的一部分用意呢？

即：如果我们的整个程序的动态内存分配完全依赖于内存池的分配的话，那么只需要简单地将父池改为基于共享内存的内存池，就可以完成程序从堆到共享内存的迁移了。

事实上，在Melon中，使用级联结构操作共享内存有如下好处：

1. 子池仍保持了集中释放的优势
2. 共享内存与堆内存的管理和分配策略不同，因此可以结合两者策略来提升共享内存的使用效率
3. 将父池作为隔离层，可以让程序轻松在堆与共享内存之间做切换，而不必修改其余内存分配的代码

最后一个问题，我们将内存全部迁移到共享内存的意义是什么呢？

进程间零拷贝IPC

当一个进程A中维护的信息需要与另一个进程B进行交换和共享的时候，我们只需要将这些信息由A进程写入共享内存中一次，B进程就可以直接访问。而不需要将数据从A的地址空间拷贝到内核缓冲区，再由内和缓冲区拷贝到进程B的用户态缓冲区，这样的频繁复制。

甚至，如果进程A和B的可执行程序在同一CPU、操作系统、编译器版本和头文件下编译生成，那么我们甚至不需要对传递的消息做任何序列化就可以直接访问。

感谢阅读！