細說 MySQL 之 MEM_ROOT

這篇文章會詳細解說MySQL中使用非常廣泛的MEM_ROOT的結構體，同時省去debug部分的資訊，僅分析正常情況下，mysql中使用MEM_ROOT來做記憶體分配的部分。

在具體分析之前我們先例舉在該結構體使用過程中用到的一些巨集:

#define MALLOC_OVERHEAD 8 //分配過程中，需要保留一部分額外的空間
#define ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP 4096 //後續會繼續分析該巨集的用途
#define ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP 10 //後續會繼續分析該巨集的用途

#define ALIGN_SIZE(A) MY_ALIGN((A),sizeof(double))
#define MY_ALIGN(A,L) (((A) + (L) - 1) & ~((L) - 1))

#define ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE (MALLOC_OVERHEAD + sizeof(USED_MEM) + 8)
/* Define some useful general macros (should be done after all headers). */
#define MY_MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) //求兩個數值之間的最大值
#define MY_MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b)) //求兩個數值之間的最小值

下面再來看看MEM_ROOT結構體相關的資訊:

typedef struct st_mem_root
{
	USED_MEM	*free;                  /* free block link list的連結串列頭指標 */
	USED_MEM	*used;                  /* used block link list的連結串列頭指標 */
	USED_MEM	*pre_alloc;             /* 預先分配的block */
	size_t		min_malloc;             /* 如果block剩下的可用空間小於該值，將會從free list移動到used list */
	size_t		block_size;             /* 每次初始化的空間大小 */
	unsigned int	block_num;              /* 記錄實際的block數量,初始化為4 */
	unsigned int	first_block_usage;      /* free list中的第一個block 測試不滿足分配空間大小的次數 */
	void (*error_handler)( void );          /* 分配失敗的錯誤處理函式 */
} MEM_ROOT;

以下是分配具體的block資訊.

typedef struct st_used_mem
{ 
    struct st_used_mem *next; //指向下一個分配的block
    unsigned int left; //該block剩餘的空間大小
    unsigned int size; //該block的總大小
} USED_MEM;

其實MEM_ROOT在分配過程中，是通過雙向連結串列來管理used和free的block:

MEM_ROOT的初始化過程如下:

void init_alloc_root( MEM_ROOT *mem_root, size_t block_size, size_t pre_alloc_size __attribute__( (unused) ) )
{
	mem_root->free			= mem_root->used = mem_root->pre_alloc = 0;
	mem_root->min_malloc		= 32;
	mem_root->block_size		= block_size - ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE;
	mem_root->error_handler		= 0;
	mem_root->block_num		= 4; /* We shift this with >>2 */
	mem_root->first_block_usage	= 0;
}

初始化過程中，block_size空間為block_size-ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE。因為在記憶體不夠，需要擴容時，是通過mem_root->block_num >>2 * block_size 來擴容的，所以mem_root->block_num >>2 至少為1，因此在初始化的過程中mem_root->block_num=4(注:4>>2=1)。

下面來看看具體分配記憶體的步驟:

void *alloc_root( MEM_ROOT *mem_root, size_t length )
{
	size_t		get_size, block_size;
	uchar		* point;
	reg1 USED_MEM	*next = 0;
	reg2 USED_MEM	**prev;

	length = ALIGN_SIZE( length );
	if ( (*(prev = &mem_root->free) ) != NULL )
	{
		if ( (*prev)->left < length &&
		     mem_root->first_block_usage++ >= ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP &&
		     (*prev)->left < ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP )
		{
			next				= *prev;
			*prev				= next->next; /* Remove block from list */
			next->next			= mem_root->used;
			mem_root->used			= next;
			mem_root->first_block_usage	= 0;
		}
		for ( next = *prev; next && next->left < length; next = next->next )
			prev = &next->next;
	}
	if ( !next )
	{       /* Time to alloc new block */
		block_size	= mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2);
		get_size	= length + ALIGN_SIZE( sizeof(USED_MEM) );
		get_size	= MY_MAX( get_size, block_size );

		if ( !(next = (USED_MEM *) my_malloc( get_size, MYF( MY_WME | ME_FATALERROR ) ) ) )
		{
			if ( mem_root->error_handler )
				(*mem_root->error_handler)();
			DBUG_RETURN( (void *) 0 );                              /* purecov: inspected */
		}
		mem_root->block_num++;
		next->next	= *prev;
		next->size	= get_size;
		next->left	= get_size - ALIGN_SIZE( sizeof(USED_MEM) );    /* bug:如果該block是通過mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)計算出來的，則已經去掉了ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM)，這裡重複了。 */
		*prev		= next;
	}

	point = (uchar *) ( (char *) next + (next->size - next->left) );
/*TODO: next part may be unneded due to mem_root->first_block_usage counter*/
	if ( (next->left -= length) < mem_root->min_malloc )
	{                                                                       /* Full block */
		*prev				= next->next;                   /* Remove block from list */
		next->next			= mem_root->used;
		mem_root->used			= next;
		mem_root->first_block_usage	= 0;
	}
}

上述程式碼的具體邏輯如下:

1.檢視free連結串列，尋找滿足空間的block。如果找到了合適的block,則：
1.1 直接返回該block從size-left處的初始地址即可。當然，在free list遍歷的過程中，會去判斷free list
中第一個block中left的空間不滿足需要分配的空間，且該block中已經查詢過了10次
(ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP)都不滿足分配長度，且該block剩餘空間小於
4k(ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP),則將該block 移動到used連結串列中。

2.如果free連結串列中，沒有合適的block，則：
2.1 分配 mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)和length+ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM))
中比較大的作為新的block記憶體空間。
2.2 根據該block的使用情況，將該block掛在used或者free連結串列上。

這裡需要注意的是二級指標的使用:

for (next= *prev ; next && next->left < length ; next= next->next)
prev= &next->next;
}

prev指向的是最後一個block的next指向的地址的地址：

所以將prev的地址替換為new block的地址，即將該new block加到了free list的結尾:*prev=next;

總結：

MEM_ROOT的記憶體分配採用的是啟發式分配演算法，隨著後續block的數量越多，單個block的記憶體也會越大:block_size= mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2) .