高并发的内存池——TLS MEMMORY POOL

好文参考： https://www.cnblogs.com/wangshaowei/p/14287125.html

为什么需要内存池

1、 效率问题， 如果我们直接想系统申请内存，当我们需要频繁的申请释放内存时，就需要频繁的与系统层产生交互，多次切换用户态以及内核态，而用户态与内核态的切换的消耗是非常大的，因此申请内存的消耗会大很多，程序的效率也就随之降低了。
2、内存碎片问题，如果我们频繁的申请和释放小块内存，系统的内存就会因此被碎片化，虽然总的内存被占用并不多，但是没有了连续的大内存块，这个时候，如果我们需要使用大内存的空间时，就无法申请了。

• thread cache: 线程缓存，这个是每一个线程锁独有的，用于小于64KB的内存的分配，线程从这里申请内存不需要加锁，每一个线程独享一个cache, 这也就是这个并发高效的地方。
• Central cache: 中心缓存是所有线程所共享的， thread cache 是按需要从Central cache中获取对象。Central cache周期性的回收thread cache中的对象，避免一个线程占用太多的内存，而其他线程的内存吃紧，达到内存分配在多个线程更加均衡按需调度的目的，Central cache 是存在竞争的，所以从这个取内存对象是需要加锁的。
• Page Cache: 页缓存是在Central cache 缓存上面的一层缓存，存储的内存是以页为单位存储以及分配的，Central cache没有内存对象（Span）时候, 从Page cache 分配出一定数量的page, 并切割成定长大小的小块内存，分配给Central cache。Page cache 会回收Central cache满足条件的Span(使用计数为0)对想，并且合并相邻的页，组成更大的页，缓解内存碎片的问题。
• 怎么实现每个线程都拥有自己唯一的线程缓存
  为了避免加锁带来的效率，在Thread Cache中使用thread local storageTLS保存每个线程本地的ThreadCache的指针，这样Thread Cache在申请释放内存时是不需要锁的，因为每一个线程都拥有了自己唯一的全局变量。

第一层THREAD CACHE 类

class ThreadCache
{
public:
	void* Allocate(size_t size);//分配内存
	void Deallocate(void* ptr, size_t size);//释放内存
	
	//从中心缓存中获取内存对象
	void* FetchFromCentralCache(size_t index, size_t size);
	
	//当自由链表中的对象超过一次分配给threadcache的数量，则开始回收
	void ListTooLong(FreeList* freelist, size_t byte);

private:
	FreeList _freelist[NLISTS];// 创建了一个自由链表数组
};

从ThreadCache申请内存：
当内存申请size<=64时2在ThreadCache中申请，计算size在自由链表中的位置，如果自由链表中有内存对象直接从FreeList[i]中pop一下对象，时间复杂度时O(1)，且没有锁竞争；当Freelist[i]中没有对象时则批量从CentralCache中获取一定数量的对象，插入到自由链表并返回一个对象（剩余的n-1个对象插入到自由链表并返回一 个对象）

向ThreadCache释放内存：
当释放内存小于64k时将内存释放回Thread Cache， 计算size在自由链表中的位置，将对象Push到FreeList[i]； 当链表的长度过长， 也就是超过一次最大限制数目时则回收一部分内存对象到Central Cache。

第二层CENTRAL CACHE 类

中心缓存要实现为单例模式，保证全局只有一份实例
1、central cache是内存池中的第二层缓存， 这一层缓存主要解决的问题就是内存分配不均的问题。
在设计thread cache时，我们利用TLS让每一个线程都独享了thread cache， 但是这样虽然解决另外内存碎片的问题??? 也导致了另一个问题，那就是内存资源分配不均衡的问题。当一个线程大量的开辟内存再释放的时候，这个线程中的thread cache势必会储存着大量的空闲内存资源，而这些资源是无法被其他线程所使用的，当其他的线程需要使用内存资源时，就可能没有更多的内存资源可以使用，这也就导致了其它线程的饥饿问题。为了解决这个问题，就有了central cache的设计。
2、central cache的主要功能：周期性的回收thread cache中的内存资源，避免一个或多个线程占用大量内存资源，而其它线程内存资源不足的问题。让内存资源的分配在多个线程中更均衡。
3、Central Cache是线程共享的，就是存在竞争的，所以在在这里取内存对象的时候是需要加锁的，但是锁的力度可以控制得很小。为了保证全局只有唯一的Central Cache，这个类被可以设计成了单例模式
4、Central Cache起着承上启下的作用：对下,它既可以将内存对象分配给Thread Cache来的每个线程，又可以将线程归还回来的内存进行管理。 对上 它要把自身已经满了的内存块上交给页缓存 当自己有需要的时候，得向页缓存申请
5、Central Cache本质是由一个哈希映射的Span对象自由双向链表构成。一个span对象大小是恒定的4K大小，一个span是由多个页组成的(32位下4K 64位下8K ) 但是中心缓存数组每个元素指定了单个span划分成内存块的大小 (比如第一个8bytes 第二个16bytes等等),故他们能挂载的内存块数不一样
简言之：当thread cache中没有内存时，就会批量向Central cache申请一定数量的内存对象，Central cache也是一个哈希映射的Spanlist，Spanlist中挂着span，从span中取出对象给thread cache。比如线程申请一个16bytes的内存，但是此时thread cache 中16bytes往上的都没了 ,这个时候向cantral申请，central cache就到16bytes的地方拿下一个span 给thread cache

但是，当向Central Cache中申请发现16bytes往后的span节点全空了时，则将空的span链在一起，然后向Page Cache申请若干以页为单位的span对象，比如一个3页的span对象，然后把这个3页的span对象切成3个一页的span对象，放在central cache中16bytes位置， 再将这三个一页的span对象切成需要的内存块大小，这里就是16bytes，并链接起来，挂到span中
6、向central cache中释放内存：
当Thread Cache过长或者线程销毁，则会将内存释放回Central Cache中，比如Thread cache中16bytes部分链表数目已经超出最大限制了，则会把后面再多出来的内存块放到central cache的16bytes部分的他所归属的那个span对象上，此时那个span对象的usecount就减一位。当_usecount减到0时则表示所有对象都回到了span，则将Span释放回Page Cache，Page Cache中会对前后相邻的空闲页进行合并。

那么，怎么才能将Thread Cache中的内存对象还给它原来的span呢？
答：可以在Page Cache中维护一个页号到span的映射。当Page Cache给Central Cache分配一个span时，将这个映射更新到unordered_map中去，这样的话在central cache中的span对象下的内存块都是属于某个页的 也就有他的页号,，同一个span切出来的内存块PageID都和span的PageID相同，这样就能很好的找出某个内存块属于哪一个span了。

第三层：PAGE CACHE 页缓存

Page cache是一个以页为单位的span自由链表；为了保证全局只有唯一的Page cache，这个类可以被设计成了单例模式，本单例模式采用饿汉模式

class PageCache
{
public:
	static PageCache* GetInstence()
	{
		return &_inst;
	}

	Span* AllocBigPageObj(size_t size);
	void FreeBigPageObj(void* ptr, Span* span);

	Span* _NewSpan(size_t n);
	Span* NewSpan(size_t n);//获取的是以页为单位

	//获取从对象到span的映射
	Span* MapObjectToSpan(void* obj);

	//释放空间span回到PageCache，并合并相邻的span
	void ReleaseSpanToPageCache(Span* span);

private:
	SpanList _spanlist[NPAGES];
	//std::map<PageID, Span*> _idspanmap;
	std::unordered_map<PageID, Span*> _idspanmap;

	std::mutex _mutex;
private:
	PageCache(){}

	PageCache(const PageCache&) = delete;
	static PageCache _inst;
};

1、page cache的主要功能就是回收central cache中空闲的span，并且对空闲的span进行合并，合并成更大的span，当需要更大内存时，就不需要担心因为内存被切小而无法使用大内存的情况了，缓解了内存碎片的问题。而当central cache中没有可用的span对象时，page cache也会将大的内存切成需要大小的内存对象分配给central cache。
page cache中的内存是以页为单位储存和分配的。

2、存储的是以页为单位存储及分配的(中心缓存数组每个元素表示链表中span的页数)，中心缓存没有span时(所有的span链表都空了)，从页缓存分配出一定数量的页，并切割成定长大小的小块内存(在中心缓存中对应的字节数 )，分配给Central Cache。Page Cache会回收Central Cache满足条件的Span(使用计数为0，即span结点满足一页)对象，并且合并相邻的页(根据页ID相邻)，组成更大的页，缓解内存碎片的问题。

3、当thread cache向Central Cache中申请,发现Central Cache16bytes往后的span结点全空了时，则将空的span链在一起，然后向Page Cache申请若干以页为单位的span对象，比如一个3页的span对象：Page Cache先检查3页的那个位置有没有span，如果没有则向更大页寻找一个span，如果找到则分裂成两个。比如：申请的是3page，3page后面没有挂span，则向后面寻找更大的span，假设在10page位置找到一个span，则将10page span分裂为一个3page span和一个7page span。如果找到128 page都没有合适的span，则向系统使用mmap、brk或者是VirtualAlloc等方式申请128page span挂在自由链表中，再重复2中的过程，然后把这个3页的span对象切成3个一页的span对象 放在central cache中的16bytes位置可以有三个结点,再把这三个一页的span对象切成需要的内存块大小 这里就是16bytes ，并链接起来，挂到span中
4、向page cache中释放内存
当Thread Cache过长或者线程销毁，则会将内存释放回Central Cache中的，
比如Thread cache中16bytes部分链表数目已经超出最大限制了 则会把后面再多出来的内存块放到central cache的16bytes部分的他所归属的那个span对象上.
此时那个span对象的usecount就减一位
当_usecount减到0时则表示所有对象都回到了span，则将Span释放回Page Cache，Page Cache中会依次寻找span的前后相邻pageid的span，看是否可以合并，如果合并继续向前寻找。这样就可以将切小的内存合并收缩成大的span，减少内存碎片。