Netty 源码解析 -- 内存对齐类 SizeClasses

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发布于: 2020 年 10 月 29 日
在学习Netty内存池之前，我们先了解一下Netty的内存对齐类SizeClasses，它为Netty内存池中的内存块提供大小对齐，索引计算等服务方法。
源码分析基于Netty 4.1.52
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Netty内存池中每个内存块size都符合如下计算公式
size = 1 << log2Group + nDelta * (1 << log2Delta)
log2Group：内存块分组
nDelta：增量乘数
log2Delta：增量大小的log2值
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SizeClasses初始化后，将计算chunkSize（内存池每次向操作系统申请内存块大小）范围内每个size的值，保存到sizeClasses字段中。
sizeClasses是一个表格（二维数组），共有7列，含义如下
index:内存块size的索引
log2Group:内存块分组，用于计算对应的size
log2Delata:增量大小的log2值，用于计算对应的size
nDelta:增量乘数，用于计算对应的size
isMultipageSize:表示size是否为page的倍数
isSubPage:表示是否为一个subPage类型
log2DeltaLookup:如果size存在位图中的，记录其log2Delta，未使用
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sizeClasses负责计算sizeClasses表格
private int sizeClasses() {
    int normalMaxSize = -1;
﻿
    int index = 0;
    int size = 0;
    // #1
    int log2Group = LOG2_QUANTUM;
    int log2Delta = LOG2_QUANTUM;
    int ndeltaLimit = 1 << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP;
﻿
    // #2
    int nDelta = 0;
    while (nDelta < ndeltaLimit) {
        size = sizeClass(index++, log2Group, log2Delta, nDelta++);
    }
    log2Group += LOG2_SIZE_CLASS_GROUP;
﻿
    // #3
    while (size < chunkSize) {
        nDelta = 1;
﻿
        while (nDelta <= ndeltaLimit && size < chunkSize) {
            size = sizeClass(index++, log2Group, log2Delta, nDelta++);
            normalMaxSize = size;
        }
﻿
        log2Group++;
        log2Delta++;
    }
﻿
    //chunkSize must be normalMaxSize
    assert chunkSize == normalMaxSize;
﻿
    //return number of size index
    return index;
}
LOG2_QUANTUM=4
LOG2SIZECLASS_GROUP=2
#1 log2Group，log2Delta都是从LOG2_QUANTUM开始
ndeltaLimit为2^LOG2SIZECLASS_GROUP，即内存块size以4个为一组进行分组
#2 初始化第0组
nDelta从0开始
sizeClass方法计算每个size大小
注意：第0组后log2Group增加LOG2SIZECLASS_GROUP，而log2Delta不变
#3 初始化后面的size
nDelta从1开始
每组log2Group+1，log2Delta+1
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将log2Group=log2Delta+LOG2_SIZE_CLASS_GROUP代入计算公式中，得到
size = 1 << (log2Delta+LOG2_SIZE_CLASS_GROUP) + nDelta * (1 << log2Delta)
size = (nDelta + 2 ^ LOG2_SIZE_CLASS_GROUP) * (1 << log2Delta)
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可以看到，每个内存块size都是(1 << log2Delta)的倍数
从第二组开始，每组内这个倍数依次是5,6,7,8
每组内相邻行大小增量为(1 << log2Delta)，相邻组之间(1 << log2Delta)翻倍。
Netty默认的配置一个page的大小是2^13,即为8KB,默认的一个chunk的大小为16777216，即16MB。sizeClasses表格内存如下：
﻿
Netty内存池中管理了大小不同的内存块，对于这些不同大小的内存块，Netty划分为不同的等级Small，Normal，Huge。Huge是大于chunkSize的内存块，不在表格中，这里也不讨论。
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sizeClasses表格可以分为两部分
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isSubPage为1的size为Small内存块，其他为Normal内存块。
分配Small内存块，需要找到对应的index
通过size2SizeIdx方法计算index
比如需要分配一个90字节的内存块，需要从sizeClasses表格找到第一个大于90的内存块size，即96，其index为5。
Normal内存块必须是page的倍数。
将isMultipageSize为1的行取出组成另一个表格
PoolChunk中分配Normal内存块需求查询对应的pageIdx。
比如要分配一个50000字节的内存块，需要从这个新表格找到第一个大于50000的内存块size，即57344，其pageIdx为6。
通过pages2pageIdxCompute方法计算pageIdx。
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下面看一下具体的计算方法
public int size2SizeIdx(int size) {
    if (size == 0) {
        return 0;
    }
    // #1
    if (size > chunkSize) {
        return nSizes;
    }
    // #2
    if (directMemoryCacheAlignment > 0) {
        size = alignSize(size);
    }
    // #3
    if (size <= lookupMaxSize) {
        //size-1 / MIN_TINY
        return size2idxTab[size - 1 >> LOG2_QUANTUM];
    }
    // #4
    int x = log2((size << 1) - 1);
    // #5
    int shift = x < LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + LOG2_QUANTUM + 1
            ? 0 : x - (LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + LOG2_QUANTUM);
﻿
    int group = shift << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP;
    // #6
    int log2Delta = x < LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + LOG2_QUANTUM + 1
            ? LOG2_QUANTUM : x - LOG2_SIZE_CLASS_GROUP - 1;
    // #7
    int deltaInverseMask = -1 << log2Delta;
    int mod = (size - 1 & deltaInverseMask) >> log2Delta &
              (1 << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP) - 1;
﻿
    return group + mod;
}
#1 大于chunkSize，就是返回nSizes代表申请的是Huge内存块。
#2 不使用sizeClasses表格，将申请内存大小转换为directMemoryCacheAlignment的倍数，directMemoryCacheAlignment默认为0。
#3 SizeClasses将一部分较小的size与对应index记录在size2idxTab作为位图，这里直接查询size2idxTab，避免重复计算
size2idxTab中保存了(size-1)/(2^LOG2_QUANTUM) --> idx的对应关系。
#4 对申请内存大小进行log2的向上取整，就是每组最后一个内存块size。-1是为了避免申请内存大小刚好等于2的指数次幂时被翻倍。
将log2Group = log2Delta + LOG2_SIZE_CLASS_GROUP，nDelta=2^LOG2_SIZE_CLASS_GROUP代入计算公式，可得
lastSize = 1 << (log2Group +  1)
即x = log2Group +  1
#5 shift， 当前在第几组，从0开始（sizeClasses表格中0~3行为第0组，4~7行为第1组，以此类推，不是log2Group）
x < LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + LOG2_QUANTUM + 1，即log2Group < LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + LOG2_QUANTUM ，满足该条件的是第0组的size，这时shift固定是0。
从sizeClasses方法可以看到，除了第0组，都满足shift = log2Group -  LOG2_QUANTUM - (LOG2_SIZE_CLASS_GROUP - 1)。
shift << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP就是该组第一个内存块size的索引
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#6 计算log2Delta
第0组固定是LOG2_QUANTUM
除了第0组，将nDelta = 2^LOG2_SIZE_CLASS_GROUP代入计算公式
lastSize = ( 2^LOG2_SIZE_CLASS_GROUP + 2^LOG2_SIZE_CLASS_GROUP ) * (1 << log2Delta)
lastSize =  (1 << log2Delta) << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP << 1
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#7 前面已经定位到第几组了，下面要找到申请内存大小应分配在该组第几位
这里要找到比申请内存大的最小size。
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申请内存大小可以理解为上一个size加上一个不大于(1 << log2Delta)的值，即
(nDelta - 1 + 2^LOG2_SIZE_CLASS_GROUP) * (1 << log2Delta) + n， 备注：0 < n <= (1 << log2Delta)
nDelta - 1就是mod
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& deltaInverseMask，将申请内存大小最后log2Delta个bit位设置为0，可以理解为减去n
>> log2Delta，右移log2Delta个bit位，就是除以(1 << log2Delta)，结果就是(nDelta - 1 + 2 ^ LOG2SIZECLASS_GROUP)
&  (1 << LOG2_SIZE_CLASS_GROUP) - 1， 取最后的LOG2SIZECLASS_GROUP个bit位的值，结果就是mod
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size - 1，是为了申请内存等于内存块size时避免分配到下一个内存块size中，即n == (1 << log2Delta)的场景。
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疑问：既然右移log2Delta个bit位，那为什么前面要将log2Delta个bit位设置为0？
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第0组由于log2Group等于log2Delta，代入计算公式如下
1 << log2Delta + (nDelta - 1) * (1 << log2Delta) + n， 备注：0 < n <= (1 << log2Delta)
nDelta * (1 << log2Delta) + n
所以第0组nDelta从0开始，mod = nDelta
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pages2pageIdxCompute方法计算pageIdx逻辑与size2SizeIdx方法类似，只是将LOG2_QUANTUM变量换成了pageShifts，这里不再重复。
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SizeClasses是给PoolArena（内存池），PoolChunk(内存块)提供服务的，建议大家结合后面分析PoolArena，PoolChunk的文章一起理解。
如果大家对SizeClasses具体算法不感兴趣，只有理解SizeClasses类中利用sizeClasses表格，为PoolArena，PoolChunk提供计算index，pageIdx索引的方法，也可以帮助大家理解后面解析PoolArena，PoolChunk的文章。
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下面贴出sizeClasses完整表格（可复制到Excle，以|分列）
| index  | log2Group  | log2Delta  | nDelta  | isMultiPageSize  | isSubPage  | log2DeltaLookup  | size      | usize  |
| 0      | 4          | 4          | 0       | 0                | 1          | 4                | 16        |        |
| 1      | 4          | 4          | 1       | 0                | 1          | 4                | 32        |        |
| 2      | 4          | 4          | 2       | 0                | 1          | 4                | 48        |        |
| 3      | 4          | 4          | 3       | 0                | 1          | 4                | 64        |        |
| 4      | 6          | 4          | 1       | 0                | 1          | 4                | 80        |        |
| 5      | 6          | 4          | 2       | 0                | 1          | 4                | 96        |        |
| 6      | 6          | 4          | 3       | 0                | 1          | 4                | 112       |        |
| 7      | 6          | 4          | 4       | 0                | 1          | 4                | 128       |        |
| 8      | 7          | 5          | 1       | 0                | 1          | 5                | 160       |        |
| 9      | 7          | 5          | 2       | 0                | 1          | 5                | 192       |        |
| 10     | 7          | 5          | 3       | 0                | 1          | 5                | 224       |        |
| 11     | 7          | 5          | 4       | 0                | 1          | 5                | 256       |        |
| 12     | 8          | 6          | 1       | 0                | 1          | 6                | 320       |        |
| 13     | 8          | 6          | 2       | 0                | 1          | 6                | 384       |        |
| 14     | 8          | 6          | 3       | 0                | 1          | 6                | 448       |        |
| 15     | 8          | 6          | 4       | 0                | 1          | 6                | 512       |        |
| 16     | 9          | 7          | 1       | 0                | 1          | 7                | 640       |        |
| 17     | 9          | 7          | 2       | 0                | 1          | 7                | 768       |        |
| 18     | 9          | 7          | 3       | 0                | 1          | 7                | 896       |        |
| 19     | 9          | 7          | 4       | 0                | 1          | 7                | 1024      | 1K     |
| 20     | 10         | 8          | 1       | 0                | 1          | 8                | 1280      | 1.25K  |
| 21     | 10         | 8          | 2       | 0                | 1          | 8                | 1536      | 1.5K   |
| 22     | 10         | 8          | 3       | 0                | 1          | 8                | 1792      | 1.75K  |
| 23     | 10         | 8          | 4       | 0                | 1          | 8                | 2048      | 2K     |
| 24     | 11         | 9          | 1       | 0                | 1          | 9                | 2560      | 2.5K   |
| 25     | 11         | 9          | 2       | 0                | 1          | 9                | 3072      | 3K     |
| 26     | 11         | 9          | 3       | 0                | 1          | 9                | 3584      | 3.5K   |
| 27     | 11         | 9          | 4       | 0                | 1          | 9                | 4096      | 4K     |
| 28     | 12         | 10         | 1       | 0                | 1          | 0                | 5120      | 5K     |
| 29     | 12         | 10         | 2       | 0                | 1          | 0                | 6144      | 6K     |
| 30     | 12         | 10         | 3       | 0                | 1          | 0                | 7168      | 7K     |
| 31     | 12         | 10         | 4       | 1                | 1          | 0                | 8192      | 8K     |
| 32     | 13         | 11         | 1       | 0                | 1          | 0                | 10240     | 10K    |
| 33     | 13         | 11         | 2       | 0                | 1          | 0                | 12288     | 12K    |
| 34     | 13         | 11         | 3       | 0                | 1          | 0                | 14336     | 14K    |
| 35     | 13         | 11         | 4       | 1                | 1          | 0                | 16384     | 16K    |
| 36     | 14         | 12         | 1       | 0                | 1          | 0                | 20480     | 20K    |
| 37     | 14         | 12         | 2       | 1                | 1          | 0                | 24576     | 24K    |
| 38     | 14         | 12         | 3       | 0                | 1          | 0                | 28672     | 28K    |
| 39     | 14         | 12         | 4       | 1                | 0          | 0                | 32768     | 32K    |
| 40     | 15         | 13         | 1       | 1                | 0          | 0                | 40960     | 40K    |
| 41     | 15         | 13         | 2       | 1                | 0          | 0                | 49152     | 48K    |
| 42     | 15         | 13         | 3       | 1                | 0          | 0                | 57344     | 56K    |
| 43     | 15         | 13         | 4       | 1                | 0          | 0                | 65536     | 64K    |
| 44     | 16         | 14         | 1       | 1                | 0          | 0                | 81920     | 80K    |
| 45     | 16         | 14         | 2       | 1                | 0          | 0                | 98304     | 96K    |
| 46     | 16         | 14         | 3       | 1                | 0          | 0                | 114688    | 112K   |
| 47     | 16         | 14         | 4       | 1                | 0          | 0                | 131072    | 128K   |
| 48     | 17         | 15         | 1       | 1                | 0          | 0                | 163840    | 160K   |
| 49     | 17         | 15         | 2       | 1                | 0          | 0                | 196608    | 192K   |
| 50     | 17         | 15         | 3       | 1                | 0          | 0                | 229376    | 224K   |
| 51     | 17         | 15         | 4       | 1                | 0          | 0                | 262144    | 256K   |
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| 53     | 18         | 16         | 2       | 1                | 0          | 0                | 393216    | 384K   |
| 54     | 18         | 16         | 3       | 1                | 0          | 0                | 458752    | 448K   |
| 55     | 18         | 16         | 4       | 1                | 0          | 0                | 524288    | 512K   |
| 56     | 19         | 17         | 1       | 1                | 0          | 0                | 655360    | 640K   |
| 57     | 19         | 17         | 2       | 1                | 0          | 0                | 786432    | 768K   |
| 58     | 19         | 17         | 3       | 1                | 0          | 0                | 917504    | 896K   |
| 59     | 19         | 17         | 4       | 1                | 0          | 0                | 1048576   | 1M     |
| 60     | 20         | 18         | 1       | 1                | 0          | 0                | 1310720   | 1.25M  |
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| 64     | 21         | 19         | 1       | 1                | 0          | 0                | 2621440   | 2.5M   |
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| 66     | 21         | 19         | 3       | 1                | 0          | 0                | 3670016   | 3.5M   |
| 67     | 21         | 19         | 4       | 1                | 0          | 0                | 4194304   | 4M     |
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| 69     | 22         | 20         | 2       | 1                | 0          | 0                | 6291456   | 6M     |
| 70     | 22         | 20         | 3       | 1                | 0          | 0                | 7340032   | 7M     |
| 71     | 22         | 20         | 4       | 1                | 0          | 0                | 8388608   | 8M     |
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| 73     | 23         | 21         | 2       | 1                | 0          | 0                | 12582912  | 12M    |
| 74     | 23         | 21         | 3       | 1                | 0          | 0                | 14680064  | 14M    |
| 75     | 23         | 21         | 4       | 1                | 0          | 0                | 16777216  | 16M    |
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