tcmalloc原理分析

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1. tcmalloc（即Thread-Cache Malloc）是一个通用的内存分配器，使用tcmalloc只需要在编译的链接阶段加入-ltcmalloc，而不是使用glibc（ptmalloc2），不需要有任何的代码改动。也就是说用户在使用malloc/free、new/delete时会使用tcmalloc进行内存分配。

2. 为什么要使用tcmalloc

主要是因为性能，tcmalloc能提供更快的申请/释放速度，而且内存利用率更高，产生更少的内存碎片

3. 原理：先上图

1. 1. 基本概念：

Free List：数组链表，链表中保存了内存块

objects：内存块

Page：页内存，内存分隔成大小固定，地址对齐的块

Span：tcmalloc管理内存的单位，一个Span可以包含一个或多个Page

Radix Tree：基数树，是一种广泛用于内存管理的数据结构，这里用来管理Span

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1. 2. 组织结构：

tcmalloc以256k为界将内存分成大块内存和小块内存，使用不同的策略分别对这两种内存进行管理。从图中可以看到，tcmalloc由若干（线程数）个Thread Cache，一个Central Heap和一个Page Heap组成。这三种结构中都包含一个数组，而数组的元素是一个链表。数组链表是tcmalloc管理内存的主要数据结构之一。三者所不同的是，Thread Cache的链表（FreeList）内容是object，是被切分的小的内存块；Central Heap（FreeList）和Page Heap（SpanList）的链表内容是Span，但Central Heap的Span中又有切分的object。

1. 3. 小内存的分配策略

小内存的管理由两部分构成：Thread Cache和Central Heap。其中Thread Cache是线程本地Cache，每个线程一个；Central Heap则由所有线程共享。

当一个线程申请内存时，首先响应的是Thread Cache，如 大专栏  tcmalloc原理分析果其中有足够大的内存满足要求，可直接返回。只有当内存不够时，需要向Central Heap申请，此时使用了一个细粒度的自旋锁来保证线程安全。如果Central Heap没有足够内存该怎么办呢，后面会讲到具体策略。

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由上可知，小内存的分配在大部分情况下都是预分配好的，可以拿来即用，只有在本地Cache不足的情况才需要加锁，因此效率很高。

1. 4. 大内存的分配策略

大内存通过Page Heap来管理内存，策略与小内存相似，也是预分配好一个数组链表，不同的是Page Heap只有一个，而且实际上Central Heap的Span也是从Page Heap上分配出去的。

Page Heap的数组共256项，每项中的Span依次包含1-255个Page，最后一项的Span包含大于等于256个Page。当数组中的第k项已经没有Span时，可以从第k+1项拿一个Span，将这个Span拆成一个包含k个Page的Span提供给申请者，一个包含1项的Span放到数组的第1项中。如果第k+1项同样没有Span则继续项第k+2项申请，依次类推。

1. 5. 内存回收

???????? 当释放一个内存对象时，需要先根据地址计算出页号，再在Radix Tree中找到页号对应的Span，根据Span确定是小内存还是大内存对象。
???????? 如果是小内存，需要把它插入内存本地的FreeList中，如果线程本地内存cache超过阈值（默认2MB），会使用策略将部分未使用的内存块移动到Central Heap中，此时放到了central cache中的tc_slots_中，而不是直接放入Span中，只有当tc_slots_满了，才会归还到Span中，这样的好处是在Thread Cache和Central Heap中又加入了一层缓存使效率更高。
???????? 如果是大内存，还要获取这个Span页的前一页和后一页是否空闲，如果都不空闲，则直接将这个Span放入SpanList合适的位置，如果这个Span的前一页或后一页存在空闲，还需要将这个Span与前面或后面的Span合并后再把新的Span放入合适的SpanList中。例如，Span1包含[m, n-1]页,Span2包含[n, k-1]页,Span3包含[k, s]页，此时回收了Span2，如果检查发现第n-1页空闲，第k页非空闲，此时需要将Span1和Span2合并成一个包含[m, k-1]页的新Span，而如果第n-1页和第k页都空闲的话，则合并后的新Span应包含[m,s]页。
4.?? ?后记
???????? 使用tcmalloc后，不必再费尽心思去在代码中设计内存池，而且使用时不需要包含任何头文件，只需要在链接环节使用-ltcmalloc代替glibc即可，这是作为一款通用内存管理器的便捷之处。同时在效率上可以得到数倍的提升。
???????? 其实tcmalloc中还有很多细节值得研究，我们应该学习其中优秀的编程思想，同时也希望通过以上分析对理解tcmalloc有所帮助。

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