九浅一深Jemalloc5.3.0 -- ①深*一撸到底boot＞malloc＞gc

目前市面上有不少分析Jemalloc老版本的博文，但最新版本5.3.0却少之又少。而且5.3.0的架构与5之前的版本有较大不同，本着“与时俱进”、“由浅入深”的宗旨，我将逐步分析最新release版本Jemalloc5.3.0的实现。

另外，单讲实现代码是极其枯燥的，我将尽量每个原理知识点都用一个简简单单的小程序引出，这样便于大家测试和上手调试。另外，我还会用GDB打印数据结构、变量的值，方便理解当时的状态或算法。

本文用到了不少GDB技巧，欢迎订阅我的GDB专栏

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从例子出发

一直在想，这个“①深”到底要深入哪块哪？后来想到多少理论都不见得比得上一个例子，今天我们就通过一个例子，把各个模块串起来（pa, emap, tcache, tsd, arena），从头撸到尾。首先打个预防针：今天主要看内存内容，有很多计算，不过看懂了之后对jemalloc5.3.0就有了基本的了解了。

例子如下：

//gcc test.c `jemalloc-config --libdir`/libjemalloc.a `jemalloc-config --libs` -g
#include <malloc.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


int main(int argc, char* argv[])
{
        void* p1 = malloc(16);

        void* p[300];
        for(int i=1;i<300;i++)
                p[i] = malloc(1024);
        for(int i=1;i<300;i++)
                free(p[i]);

        return 0;
}

$ gcc test.c   `jemalloc-config --libdir`/libjemalloc.a `jemalloc-config --libs` -g
$ MALLOC_CONF="tcache_gc_incr_bytes:4096" gdb ./a.out

1. boot

main以前是boot的过程，我直接把上次讲boot的图挪过来(但是这个图描述的只是主要boot函数走完了，还不是最终形态）。

今天我们不读代码，而是直接从内存（主要是emap）内容反推剩余的boot过程，并结合各个变量的值对原图修修补补。

OK，开始吧，我们先让程序运行到main，从arena_emap_global入手看看有哪些edata_t, extent（这些都是jemalloc里最重要的数据结构）.

注意：到main后要s一下进入malloc内部，不然得不到变量arena_emap_global.

去掉重复的，有三个不同的edata_t, 看下他们对应的extent：

三个extent是在同一块内存分割出来的（因为e_addr+size正好是下一个e_addr, size加起来正好是2M），实际上后两个是由第一张图里的trail分裂得来的（extent split，为了 malloc (size=72704)，对齐后实际分配86016，为何分配72704字节内存？不好意思我也不知道，这是main之前的事情没研究过), 而且最后一个extent是闲置状态，这可以通过pa模块的内容来印证（看到edata_t 0x7ffff7617980没?）：

顺便啰嗦一句malloc (size=72704)的调用栈：

Okay, 多出来一个extent/edata_t，让我们修改下第一张图：

2. malloc

来到malloc(16)这一行，如果读者看过前面关于tcache的文章就能想到流程是这样的：

-》会优先从tcache.bin[1]中拿内存

-》但问题是它是空的，需要先填充100个（tcache_bin_info[1]>>cache_slow->lg_fill_div[1]）

-》先分配一个4096大小的extent，分割成256片（4096/16=256）

-》取其中的100个给tcache.bin[1]填充弹药

-》取其中一个返回给用户

extent与edata_t总是成对出现的，edata_t是对extent的描述，所以需要给它两都分配内存空间，其中

1)、 sizeof(edata_t)=128较小，首先由pac.edata_cache（paring heap）取，如失败由base_alloc_edata分配，这正是我们例子对应的情况。

2）、而extent至少是PAGE大小，我们的例子中是4096字节，由pac.ecache_retained.eset中某个大的extent分裂而得（还记得上面有个free extent其大小为2M-32768-86016吗？就是它。）

我们直接运行过malloc(16)这一行，让我们一一验证上面的猜想：

先从用户得到的指针通过emap找到它所属的edata_t/extent,

由旧的extent分裂而来

我们再从tcache.bin[1]这个角度看看它是否有100颗弹药，弹药是不是指向上面的extent内的某片region:

3. gc

可以看到上面的tcache.bin[1]还剩99颗弹药（size=99*16), 而根据我们的例子这些空间不会被用到，因为malloc（16）后我们只malloc（1024），岂不白白浪费了99*16个字节？！

这就是gc存在的意义！

$ gcc test.c   `jemalloc-config --libdir`/libjemalloc.a `jemalloc-config --libs` -g
$ MALLOC_CONF="tcache_gc_incr_bytes:4096" gdb ./a.out

我是这么运行程序的，tcache_gc_incr_bytes:4096就是为了尽快触发gc: 每隔4096个字节allocation就会触发一次tcache gc, 就会把low_bits_low_water到low_bits_empty之间的3/4 还给extent。

nflush=75, 意味着还75个回去。走过tcache_gc_small后观察tcache.bin[1]:

还剩24发弹药。

看low_bits_empty/full的值依然是0xc88, 与gc前没变化，容易让人误以为是释放的stack_head开始向下的弹药，其实还是从 empty向上，只不过释放完下面的弹药后又把上面的弹药下移了。

下移代码：

看内存验证上面的代码：

stack_head位置变了，但还是指向原来的extent的第二片region(0x7ffff741d010).

最后

今天太多计算，希望屏幕前的你还没晕。gc没gc不要紧，保重龙体要紧！