nginx共用記憶體的機制詳解

2022-03-21 13:04:20

1 共用記憶體申請

共用記憶體申請比較簡單，這裡採用的是Linux系統共用記憶體分配的函數實現的。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>


ngx_int_t
ngx_shm_alloc(ngx_shm_t *shm)
{
    int  id;

    id = shmget(IPC_PRIVATE, shm->size, (SHM_R|SHM_W|IPC_CREAT));

    if (id == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmget(%uz) failed", shm->size);
        return NGX_ERROR;
    }

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_CORE, shm->log, 0, "shmget id: %d", id);

    shm->addr = shmat(id, NULL, 0);

    if (shm->addr == (void *) -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno, "shmat() failed");
    }

    if (shmctl(id, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmctl(IPC_RMID) failed");
    }

    return (shm->addr == (void *) -1) ? NGX_ERROR : NGX_OK;
}


void
ngx_shm_free(ngx_shm_t *shm)
{
    if (shmdt(shm->addr) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmdt(%p) failed", shm->addr);
    }
}

2 共用記憶體實現原理

2.1 共用記憶體組織

共用記憶體的管理工作是在：ngx_cycle內完成，主要是利用一個list進行組織。
首先是ngx_list組織形式，採用的是將多個ngx_list_part單元序列組成的連結串列；同時每個ngx_list_part是由多個ngx_shm_zone_t組成構成。這樣做的一個好處就是一次預先分配一個元素組，只有當第一個元素組用完才會申請新的元素組。可以達到減少頻繁分配的問題。

這裡需要展開對應ngx_shm_zone單元的介紹：
首先是使用者定義自己的資料結構並存入data中；第二部分是初始化函數，使用者獲取到ngx_shm_zone_t 共用記憶體單元的時候需要註冊自己資料結構的初始化函數，其中zone返回是當前的共用記憶體的資料，而data返回的是上一次初始化的資料即歷史資料；tag存放的是建立共用記憶體的模組；ngx_shm_t共用記憶體基本資訊包括地址，大小，名稱，log輸出位置等。

typedef struct {
    u_char      *addr;//共用記憶體地址
    size_t       size;//大小
    ngx_str_t    name;//名稱
    ngx_log_t   *log;
    ngx_uint_t   exists;   /* unsigned  exists:1;  */
} ngx_shm_t;
typedef ngx_int_t (*ngx_shm_zone_init_pt) (ngx_shm_zone_t *zone, void *data);
struct ngx_shm_zone_s {
    void                     *data;//使用者資料
    ngx_shm_t                 shm; //共用記憶體結構體
    ngx_shm_zone_init_pt      init;//使用者資料的初始化函數
    void                     *tag;//建立的模組
    ngx_uint_t                noreuse;  /* unsigned  noreuse:1; */
};

初始化函數具體呼叫位置是在建立完共用記憶體後即進行初始化ngx_init_cycle函數中進行：

2.2 slab共用記憶體管理機制

slab記憶體分配方式是共用記憶體的管理機制，主要是利用最優選擇的思路，當我們申請記憶體塊時只會返回恰好符合請求大小的記憶體塊。基本原理是把記憶體按照4k一頁分成若干頁，將每頁放置不同大小的記憶體塊，然後利用bitmap在頁首進行標識記憶體塊是否被使用。只需要變數bitmap查詢空閒的記憶體塊從而提高查詢效率。

將存放不同大小的記憶體塊的頁面利用連結串列順序串聯，這樣利用slots陣列存放連結串列的首頁。這樣可以直接根據要分配記憶體大小進行定址。

這裡還有一個小操作提高查詢空閒記憶體，當一個頁面沒有空閒的記憶體塊時需要從佇列中脫離變成一個單獨的節點。

2.3 slab與ngx_shm_zone_t 關係

整體的初始化動作是在ngx_init_zone_pool函數進行：利用shm中addr存放slab_pool物件，並完成slab的初始化動作。

ngx_slab_pool_t  *sp;
sp = (ngx_slab_pool_t *) zn->shm.addr;
sp->addr = zn->shm.addr;
ngx_slab_init(sp);

3 共用記憶體應用

共用記憶體的使用場景，這裡分析ssl模組的共用記憶體使用方法，可以推廣到其他模組使用。
首先是是進行共用記憶體的ngx_shm_zone_t分配，這是一個比較簡單的操作，從共用記憶體返回一塊空閒的shm_zone.

ngx_shm_zone_t  *shm_zone;//共用記憶體單元
ngx_conf_t *cf;//ngx設定
ngx_str_t   name；//共用記憶體名稱
ngx_int_t    n;//分配共用記憶體的大小
ngx_module_t  ngx_stream_ssl_module;//使用共用記憶體的模組，防止模組間重名
scf->shm_zone = ngx_shared_memory_add(cf, &name, n,&ngx_stream_ssl_module);//從
if (scf->shm_zone == NULL) {
     return NGX_CONF_ERROR;
 }
//初始化函數設定
 scf->shm_zone->init = ngx_ssl_session_cache_init;

初始化函數：data返回的是上一次分配的資料，如果存在直接返回。否則先取出slab_pool程序分配操作呼叫ngx_slab_alloc分配一個記憶體塊大小，可以是資料結構。這裡分配的是一個紅黑樹結構，分配完成後就可以直接初始化紅黑樹。

ngx_int_t
ngx_ssl_session_cache_init(ngx_shm_zone_t *shm_zone, void *data)
{
    size_t                    len;
    ngx_slab_pool_t          *shpool;
    ngx_ssl_session_cache_t  *cache;

    if (data) {
        shm_zone->data = data;
        return NGX_OK;
    }
	//獲取slab_pool
    shpool = (ngx_slab_pool_t *) shm_zone->shm.addr;

    if (shm_zone->shm.exists) {
        shm_zone->data = shpool->data;
        return NGX_OK;
    }
	//為資料分配slab記憶體塊
    cache = ngx_slab_alloc(shpool, sizeof(ngx_ssl_session_cache_t));
    if (cache == NULL) {
        return NGX_ERROR;
    }
	//賦值到slab_pool管理
    shpool->data = cache;
    shm_zone->data = cache;
	//紅黑樹資料初始化
    ngx_rbtree_init(&cache->session_rbtree, &cache->sentinel,
                    ngx_ssl_session_rbtree_insert_value);
	//佇列初始化
    ngx_queue_init(&cache->expire_queue);
	//設定log
    len = sizeof(" in SSL session shared cache """) + shm_zone->shm.name.len;
	//為log分配共用記憶體
    shpool->log_ctx = ngx_slab_alloc(shpool, len);
    if (shpool->log_ctx == NULL) {
        return NGX_ERROR;
    }
	//寫log
    ngx_sprintf(shpool->log_ctx, " in SSL session shared cache "%V"%Z",
                &shm_zone->shm.name);

    shpool->log_nomem = 0;

    return NGX_OK;
}

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