levelDB源码分析-Arena

Arena在leveldb中它是一个内存池，它所作的工作十分简单，申请内存时，将申请到的内存块放入std::vector blocks_中，在Arena的生命周期结束后，统一释放掉所有申请到的内存，内部结构如下图所示。



Arena定义为：

class Arena {
public:
Arena();       	// 构造函数
~Arena();		// 析构函数

// Return a pointer to a newly allocated memory block of "bytes" bytes.
char* Allocate(size_t bytes);				// 分配bytes大小的内存空间，返回分配的内存的指针

// Allocate memory with the normal alignment guarantees provided by malloc
char* AllocateAligned(size_t bytes);

// Returns an estimate of the total memory usage of data allocated
// by the arena (including space allocated but not yet used for user
// allocations).
size_t MemoryUsage() const {				// 返回已使用的内存容量（分配的内存容量+vector指针内存）
return blocks_memory_ + blocks_.capacity() * sizeof(char*);
}

private:
char* AllocateFallback(size_t bytes);
char* AllocateNewBlock(size_t block_bytes);

// Allocation state
char* alloc_ptr_;						// 每分配一个Block，记录当前可用的offset指针
size_t alloc_bytes_remaining_;				// 每分配一个Block，记录当前可用的bytes大小

// Array of new[] allocated memory blocks
std::vector<char*> blocks_;					// 每次分配的内存都放入vector中

// Bytes of memory in blocks allocated so far
size_t blocks_memory_;					// 当前已经分配的内存容量

// No copying allowed
Arena(const Arena&);						// 将拷贝构造函数及赋值构造函数设置为private，表示不运行此2个操作
void operator=(const Arena&);
};

实现如下

static const int kBlockSize = 4096;       	// 定义每个Block的大小为 4K bytes

Arena::Arena() {					// 构造函数，初始化
blocks_memory_ = 0;
alloc_ptr_ = NULL;  // First allocation will allocate a block
alloc_bytes_remaining_ = 0;
}

Arena::~Arena() {					// 析构函数，释放分配的内存
for (size_t i = 0; i < blocks_.size(); i++) {
delete[] blocks_[i];
}
}

// 如果bytes超过1K，则直接调用malloc分配内存；
// 否则，重新分配一个Block，再返回bytes大小的内存
char* Arena::AllocateFallback(size_t bytes) {
if (bytes > kBlockSize / 4) {			// 当请求的内存超过 1K时，直接分配，以免造成每次Block剩余内存不能利用，产生碎片
// Object is more than a quarter of our block size.  Allocate it separately
// to avoid wasting too much space in leftover bytes.
char* result = AllocateNewBlock(bytes); 	// 直接分配bytes内存
return result;
}
// 每个Block剩余的bytes不够时，产生浪费
// We waste the remaining space in the current block.
alloc_ptr_ = AllocateNewBlock(kBlockSize); 	// 分配blocksize大小的内存
alloc_bytes_remaining_ = kBlockSize;

char* result = alloc_ptr_;
alloc_ptr_ += bytes;					// 指针偏移
alloc_bytes_remaining_ -= bytes;			// 剩余bytes大小
return result;
}

// 分配bytes大小的内存空间，返回分配的内存的指针（在头文件中，为了方便介绍，放入这里）
inline char* Arena::Allocate(size_t bytes) {
// The semantics of what to return are a bit messy if we allow
// 0-byte allocations, so we disallow them here (we don't need
// them for our internal use).
assert(bytes > 0);
if (bytes <= alloc_bytes_remaining_) { 			// 当前block剩余空间可用
char* result = alloc_ptr_;				// 返回当前可用内存offset指针
alloc_ptr_ += bytes;		    			// 向后偏移
alloc_bytes_remaining_ -= bytes;			// 当前剩余bytes大小
return result;
}
return AllocateFallback(bytes);
}
// 分配bytes大小的内存空间，起始地址内存对齐（void*）
char* Arena::AllocateAligned(size_t bytes) {
const int align = sizeof(void*);    // We'll align to pointer size
assert((align & (align-1)) == 0);   // Pointer size should be a power of 2
size_t current_mod = reinterpret_cast<uintptr_t>(alloc_ptr_) & (align-1);
size_t slop = (current_mod == 0 ? 0 : align - current_mod); 		// 内存对齐偏移量
size_t needed = bytes + slop;
char* result;
if (needed <= alloc_bytes_remaining_) {
result = alloc_ptr_ + slop;
alloc_ptr_ += needed;
alloc_bytes_remaining_ -= needed;
} else {
// AllocateFallback always returned aligned memory
result = AllocateFallback(bytes);
}
assert((reinterpret_cast<uintptr_t>(result) & (align-1)) == 0);
return result;
}

// 分配一个Block的内存，并放入vector中
char* Arena::AllocateNewBlock(size_t block_bytes) {
char* result = new char[block_bytes];
blocks_memory_ += block_bytes;
blocks_.push_back(result);
return result;
}

从上面可以看到主要提供了两个申请函数：其中一个直接分配内存，另一个可以申请对齐的内存空间。Arena没有直接调用delete/free函数，而是在Arena的析构函数中统一释放所有的内存。

Arena实现的是粗粒度的内存池，每个Block内都可能产生剩余部分内存不能用的问题，且不存在中间释放内存和提供内存复用机制，不适用于在全局使用，且容易造成系统内存碎片。