libuv 分配的内存缓冲区重用技术

Question

我正在为我的广泛网络交互应用程序使用 libuv，我担心哪些重用分配内存的技术在 libuv 回调延迟执行的情况下会同时有效和安全。

在非常基础的一层，暴露给 libuv 用户，需要在设置句柄的同时指定缓冲区分配回调 reader:

UV_EXTERN int uv_read_start(uv_stream_t*, uv_alloc_cb alloc_cb, uv_read_cb read_cb);

其中 uv_alloc_cb 是

typedef void (*uv_alloc_cb)(uv_handle_t* handle, size_t suggested_size, uv_buf_t* buf);

但这就是问题所在：每次通过句柄传入新消息（例如，接收到来自 uv_udp_t 句柄的每个 UDP 数据报）和直接分配新缓冲区时都会调用此内存分配回调对于每个传入的 UDP 数据报，似乎都非常不适合内存。

所以我要求一种常见的 C 技术（可能是在 libuv 回调系统引入的延迟执行上下文中）尽可能重复使用相同的分配内存。

此外，如果可能的话，我想windows-便携。

备注：

我知道这个问题：Does libuv provide any facilities to attach a buffer to a connection and re use it；除了说明静态分配的缓冲区是行不通的事实之外，它被接受的答案没有回答如何使用 libuv 实际进行内存分配。特别是，它没有涵盖附加到句柄的缓冲区（通过包装器结构或句柄->数据上下文）。
阅读 http://nikhilm.github.io/uvbook/filesystem.html ，我注意到剪辑 uvtee/main.c - Write to pipe 下的以下短语：

We make a copy so we can free the two buffers from the two calls to write_data independently of each other. While acceptable for a demo program like this, you’ll probably want smarter memory management, like reference counted buffers or a pool of buffers in any major application.

但我找不到任何涉及 libuv 缓冲区引用计数的解决方案（如何正确执行？）或 libuv 环境中缓冲区池的明确示例（是否有任何库？）。

Answer 1

我想分享一下我自己解决这个问题的经验。我能感受到您的痛苦和困惑，但实际上，如果您知道自己在做什么，考虑到您拥有的大量选择，实施一个可行的解决方案并不过分困难。

Objective

实现一个能够执行两个操作的缓冲区池 - acquire 和 release.
基本池化策略：
- acquire 从池中提取缓冲区，有效地将可用缓冲区数减少 1；
- 如果没有可用的缓冲区，则会出现两种选择：
  - 增加池和return新创建的缓冲区；或
  - 创建并return一个虚拟缓冲区（解释如下）。
- 释放 return将缓冲区返回到池中。
池的大小可以是固定的，也可以是可变的。 "Variable" 意味着最初有 M pre-allocated 个缓冲区（例如零），并且池可以根据需要增长到 N。 "Fixed" 表示所有缓冲区在创建池时都是 pre-allocated (M = N)。
实现一个为 libuv 获取缓冲区的回调。
除了 out-of-memory 情况外，在任何情况下都不允许无限池增长仍然具有池功能。

实施

现在，让我们更详细地了解一下这一切。

池结构：

#define BUFPOOL_CAPACITY 100

typedef struct bufpool_s bufpool_t;

struct bufpool_s {
    void *bufs[BUFPOOL_CAPACITY];
    int size;
};

size 是当前池大小。

缓冲区本身是一个内存块，前缀为以下结构：

#define bufbase(ptr) ((bufbase_t *)((char *)(ptr) - sizeof(bufbase_t)))
#define buflen(ptr) (bufbase(ptr)->len)

typedef struct bufbase_s bufbase_t;

struct bufbase_s {
    bufpool_t *pool;
    int len;
};

len 是以字节为单位的缓冲区长度。

新缓冲区的分配如下所示：

void *bufpool_alloc(bufpool_t *pool, int len) {
    bufbase_t *base = malloc(sizeof(bufbase_t) + len);
    if (!base) return 0;
    base->pool = pool;
    base->len = len;
    return (char *)base + sizeof(bufbase_t);
}

注意returned指针指向header之后的下一个字节——数据区。这允许拥有缓冲区指针，就好像它们是通过对 malloc.

的标准调用分配的一样

解除分配正好相反：

void bufpool_free(void *ptr) {
    if (!ptr) return;
    free(bufbase(ptr));
}

libuv 的分配回调如下所示：

void alloc_cb(uv_handle_t *handle, size_t size, uv_buf_t *buf) {
    int len;
    void *ptr = bufpool_acquire(handle->loop->data, &len);
    *buf = uv_buf_init(ptr, len);
}

你可以在这里看到，alloc_cb 在循环中从用户数据指针中获取缓冲池的指针。这意味着缓冲池应该在使用前附加到事件循环。换句话说，您应该在创建循环时初始化池并将其指针分配给 data 字段。如果您已经在该字段中保存了其他用户数据，只需扩展您的结构即可。

A 虚拟缓冲区 是一个假缓冲区，这意味着它不是源自池，但仍然可以正常运行。虚拟缓冲区的目的是让整个事情在池饥饿的罕见情况下工作，即当获得所有缓冲区并且需要另一个缓冲区时。根据我的研究，在所有现代操作系统上都可以非常快速地分配大约 8Kb 的小内存块 - 这非常适合虚拟缓冲区的大小。

#define DUMMY_BUF_SIZE 8000

void *bufpool_dummy() {
    return bufpool_alloc(0, DUMMY_BUF_SIZE);
}

获取操作：

void *bufpool_acquire(bufpool_t *pool, int *len) {
    void *buf = bufpool_dequeue(pool);
    if (!buf) buf = bufpool_dummy();
    *len = buf ? buflen(buf) : 0;
    return buf;
}

释放操作：

void bufpool_release(void *ptr) {
    bufbase_t *base;
    if (!ptr) return;
    base = bufbase(ptr);
    if (base->pool) bufpool_enqueue(base->pool, ptr);
    else free(base);
}

这里有两个函数 - bufpool_enqueue 和 bufpool_dequeue。基本上，他们执行池的所有工作。

在我的例子中，除了上面所说的之外还有一个 O(1) queue 的缓冲区索引，这使我能够更有效地跟踪池的状态，从而非常快速地获取缓冲区索引。没有必要像我那样走极端，因为池的最大大小是有限的，因此任何数组搜索在时间上也是恒定的。

在最简单的情况下，您可以在 bufpool_s 结构中的整个 bufs 数组中将这些函数实现为纯线性搜索器。例如，如果获取缓冲区，则搜索第一个 non-NULL 点，保存指针并将 NULL 放入该点。下次释放缓冲区时，您将搜索第一个 NULL 点并将其指针保存在那里。

池内部结构如下：

#define BUF_SIZE 64000

void *bufpool_grow(bufpool_t *pool) {
    int idx = pool->size;
    void *buf;
    if (idx == BUFPOOL_CAPACITY) return 0;
    buf = bufpool_alloc(pool, BUF_SIZE);
    if (!buf) return 0;
    pool->bufs[idx] = 0;
    pool->size = idx + 1;
    return buf;
}

void bufpool_enqueue(bufpool_t *pool, void *ptr) {
    int idx;
    for (idx = 0; idx < pool->size; ++idx) {
        if (!pool->bufs[idx]) break;
    }
    assert(idx < pool->size);
    pool->bufs[idx] = ptr;
}

void *bufpool_dequeue(bufpool_t *pool) {
    int idx;
    void *ptr;
    for (idx = 0; idx < pool->size; ++idx) {
        ptr = pool->bufs[idx];
        if (ptr) {
            pool->bufs[idx] = 0;
            return ptr;
        }
    }
    return bufpool_grow(pool);
}

正常的缓冲区大小是 64000 字节，因为我希望它能够舒适地放入一个 64Kb 的块中，其 header.

最后，初始化和 de-initialization 例程：

void bufpool_init(bufpool_t *pool) {
    pool->size = 0;
}

void bufpool_done(bufpool_t *pool) {
    int idx;
    for (idx = 0; idx < pool->size; ++idx) bufpool_free(pool->bufs[idx]);
}

请注意，为便于说明，此实施已简化。这里没有池收缩策略，而在现实世界中，很可能需要它。

用法

您现在应该可以编写 libuv 回调了：

void read_cb(uv_stream_t *stream, ssize_t nread, const uv_buf_t *buf) {
    /* ... */
    bufpool_release(buf->base); /* Release the buffer */
}

循环初始化：

uv_loop_t *loop = malloc(sizeof(*loop));
bufpool_t *pool = malloc(sizeof(*pool));
uv_loop_init(loop);
bufpool_init(pool);
loop->data = pool;

操作：

uv_tcp_t *tcp = malloc(sizeof(*tcp));
uv_tcp_init(tcp);
/* ... */
uv_read_start((uv_handle_t *)tcp, alloc_cb, read_cb);

更新（2016 年 8 月 2 日）

根据请求的大小获取缓冲区时使用自适应策略也是一个好主意，并且仅当大块数据是return池缓冲区时请求（例如所有读取和长写入）。对于其他情况（例如大多数写入），return 虚拟缓冲区。这将有助于避免浪费池缓冲区保持可接受的分配速度。例如：

void alloc_cb(uv_handle_t *handle, size_t size, uv_buf_t *buf) {
    int len = size; /* Requested buffer size */
    void *ptr = bufpool_acquire(handle->loop->data, &len);
    *buf = uv_buf_init(ptr, len);
}

void *bufpool_acquire(bufpool_t *pool, int *len) {
    int size = *len;
    if (size > DUMMY_BUF_SIZE) {
        buf = bufpool_dequeue(pool);
        if (buf) {
            if (size > BUF_SIZE) *len = BUF_SIZE;
            return buf;
        }
        size = DUMMY_BUF_SIZE;
    }
    buf = bufpool_alloc(0, size);
    *len = buf ? size : 0;
    return buf;
}

P.S。此代码段不需要 buflen 和 bufpool_dummy。

Answer 2

如果您在 Linux，那您就走运了。 Linux 内核通常默认使用所谓的 SLAB Allocator。此分配器的优点是它通过维护可回收块池来减少实际内存分配。这对您来说意味着只要您始终分配相同大小的缓冲区（理想情况下 PAGE_SIZE 的 pow2 大小），您就可以在 Linux.[=14= 上使用 malloc() ]

如果您不在 Linux（或 FreeBSD 或 Solaris）上，或者如果您开发跨平台应用程序，您可以考虑使用 glib 及其 Memory Slices SLAB 分配器的平台实现。它在支持它的平台上使用本机实现，因此在 Linux 上使用它不会带来任何优势（我运行自己进行了一些测试）。我敢肯定还有其他库可以做同样的事情，或者您可以自己实现。

Answer 3

让我们重复回调的函数签名：

void alloc_cb(uv_handle_t* handle, size_t, uv_buf_t*);

我设置 handle->data 指向一个 struct/pair/tuple 例如：

auto t(std::make_tuple(blah1, blah2, blah3));

这允许我与 cb 共享任意数据。我所做的是将 struct/pair/tuple 数据成员之一设置为我的缓冲区：

char data[65536];

那我就用cb中的buffer:

extern "C"
inline void uv_alloc_cb(uv_handle_t* const uvh, std::size_t const sz,
  uv_buf_t* const buf) noexcept
{
  auto const p(static_cast<std::pair<void*, char*>*>(uvh->data));

  buf->base = std::get<1>(*p);
  buf->len = 65536;
}

这超级快，不需要动态分配。我认为 libuv API 有点像 ad-hoc，根本没有经过深思熟虑并且缺乏实施。为什么这个任意 64k 缓冲区要求？如果我不提供 64k，libuv 一点也不高兴，尽管它不会崩溃。

libuv 分配的内存缓冲区重用技术

libuv allocated memory buffers re-use techniques

c

memory

memory-management

libuv

Objective

实施

用法

更新（2016 年 8 月 2 日）