MySQL MEM_ROOT详细讲解

这篇文章会详细解说MySQL中使用非常广泛的MEM_ROOT的结构体，同时省去debug部分的信息，仅分析正常情况下，mysql中使用MEM_ROOT来做内存分配的部分。

在具体分析之前我们先例举在该结构体使用过程中用到的一些宏:

#define MALLOC_OVERHEAD 8 //分配过程中，需要保留一部分额外的空间
#define ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP 4096 //后续会继续分析该宏的用途
#define ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP 10 //后续会继续分析该宏的用途

#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). */
/*作者：www.manongjc.com  */
#define MY_MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) //求两个数值之间的最大值
#define MY_MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b)) //求两个数值之间的最小值

下面再来看看MEM_ROOT结构体相关的信息:

typedef struct st_mem_root
{
    USED_MEM    *free;                  /* free block link list的链表头指针 */
    USED_MEM    *used;                  /* used block link list的链表头指针 */
    USED_MEM    *pre_alloc;             /* 预先分配的block */
    size_t        min_malloc;             /* 如果block剩下的可用空间小于该值，将会从free list移动到used list */
    size_t        block_size;             /* 每次初始化的空间大小 */
    unsigned int    block_num;              /* 记录实际的block数量,初始化为4 */
    unsigned int    first_block_usage;      /* free list中的第一个block 测试不满足分配空间大小的次数 */
    void (*error_handler)( void );          /* 分配失败的错误处理函数 */
} MEM_ROOT;

以下是分配具体的block信息.

typedef struct st_used_mem
{ 
    struct st_used_mem *next; //指向下一个分配的block
    unsigned int left; //该block剩余的空间大小
    unsigned int size; //该block的总大小
} USED_MEM;

其实MEM_ROOT在分配过程中，是通过双向链表来管理used和free的block:

MEM_ROOT的初始化过程如下:

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;
}

初始化过程中，block_size空间为block_size-ALLOC_ROOT_MIN_BLOCK_SIZE。因为在内存不够，需要扩容时，是通过mem_root->block_num >>2 * block_size 来扩容的，所以mem_root->block_num >>2 至少为1，因此在初始化的过程中mem_root->block_num=4(注:4>>2=1)。

下面来看看具体分配内存的步骤:

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:如果该block是通过mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)计算出来的，则已经去掉了ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM)，这里重复了。 */
        *prev        = next;
    }

    point = (uchar *) ( (char *) next + (next->size - next->left) );
/*TODO: next part may be unneded due to mem_root->first_block_usage counter*/
/* 作者：www.manongjc.com */
    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;
    }
}

上述代码的具体逻辑如下:

1.查看free链表，寻找满足空间的block。如果找到了合适的block,则：
1.1 直接返回该block从size-left处的初始地址即可。当然，在free list遍历的过程中，会去判断free list
中第一个block中left的空间不满足需要分配的空间，且该block中已经查找过了10次
(ALLOC_MAX_BLOCK_USAGE_BEFORE_DROP)都不满足分配长度，且该block剩余空间小于
4k(ALLOC_MAX_BLOCK_TO_DROP),则将该block 移动到used链表中。

2.如果free链表中，没有合适的block，则：
2.1 分配 mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2)和length+ALIGN_SIZE(sizeof(USED_MEM))
中比较大的作为新的block内存空间。
2.2 根据该block的使用情况，将该block挂在used或者free链表上。

这里需要注意的是二级指针的使用:

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

prev指向的是最后一个block的next指向的地址的地址：

所以将prev的地址替换为new block的地址，即将该new block加到了free list的结尾:*prev=next;

总结：

MEM_ROOT的内存分配采用的是启发式分配算法，随着后续block的数量越多，单个block的内存也会越大:block_size= mem_root->block_size * (mem_root->block_num >> 2) .