Redis源码分析内存管理之道（redis 源码 内存）

Redis源码分析：内存管理之道

Redis是一款高性能、非阻塞的数据存储服务，被广泛应用于互联网中的各类应用场景。在Redis中，内存管理是至关重要的一个环节，对于Redis的性能表现也起到决定性的影响。本文将深入分析Redis源码中的内存管理实现方式，帮助我们更好地理解Redis的内存管理机制。

一、Redis的内存管理流程

Redis的内存管理主要分为三个阶段，分别是内存分配、内存释放和内存回收。其中，内存分配和释放能力在Redis运行过程中是比较稳定的，而内存回收则会随着Redis运行时间的增长而逐渐增强。

1. 内存分配

Redis在内存分配方面采用了一种称之为“对象池”的机制。对象池是指预分配一段内存空间，当需要进行内存分配时，直接从内存池中取出内存，避免了频繁的malloc/free操作，从而提高了内存分配效率。在Redis中，对象池中的内存块大小是固定的，Redis通过对象类型来判断需要预分配多大的内存空间，并将这些内存空间缓存在对象池中。同时，在Redis命令执行完成后，会把不再使用的对象放回到对象池中，以便下次使用。

2. 内存释放

Redis的内存释放机制也是在对象池中实现的，当需要释放内存时，直接将对象返回给对象池，不需要显式地调用free函数。这样可以减少对malloc/free的使用，同时避免了内存碎片问题。

3. 内存回收

Redis通过采用引用计数的方式进行内存回收。在Redis中，每个对象都有一个引用计数值，用来表示有多少个指针指向该对象。当引用计数值为0时，表示该对象已经没有任何指针指向，可以进行回收。当Redis执行delete命令时，会对该对象的引用计数减1，当引用计数为0时，会释放该对象所占用的内存空间。

二、Redis内存管理实现源码分析

1. 内存池的实现

Redis中的对象池采用了一种可扩展的方式，即初始时只分配一部分内存，当内存不足时，再根据需要自动扩展。下面是Redis中对象池的定义和相关代码实现（redisObject.h、zmalloc.c）。

/* redisObject.h */
typedef union _redisObject {
    struct string {
        char *ptr;
        size_t len;
    } str;
    /* 省略其他类型成员 */
} robj;

#define OBJ_SHARED_REFCOUNT INT_MAX    /* 共享对象的引用计数值 */

/* zmalloc.c */

#define PREFIX_SIZE (sizeof(long long))

struct zmalloc_hdr {
    unsigned long size;     /* 内存块大小 */
    unsigned long used;     /* 已使用空间 */
    unsigned short free;    /* 空间的可用状态 */
    struct zmalloc_hdr *prev;   /* 上一个内存块 */
    struct zmalloc_hdr *next;   /* 下一个内存块 */
};

typedef struct {
    pthread_mutex_t lock;       /* 锁 */
    size_t used_memory;         /* 已使用内存 */
    size_t max_memory;          /* 最大可用内存 */
    struct zmalloc_hdr *hdr;    /* 对象池头节点 */
} zpool;
static zpool zl = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 0, ZMALLOC_MAX_MEMORY, NULL };

/* 分配内存 */
void *zmalloc(size_t size) {
    void *ptr = NULL;
    struct zmalloc_hdr *hdr = NULL;
    pthread_mutex_lock(&zl.lock);
    /* 尝试在对象池中找到对应的内存链表 */
    size_t avlable = zl.max_memory - zl.used_memory;
    if (size + PREFIX_SIZE 
        hdr = zl.hdr;
        while (hdr) {
            if (hdr->free && hdr->size >= size + PREFIX_SIZE) {
                hdr->free = 0;
                hdr->used += size + PREFIX_SIZE;
                zl.used_memory += size + PREFIX_SIZE;
                ptr = (void *) ((char *) (hdr + 1) + PREFIX_SIZE);
                break;
            }
            hdr = hdr->next;
        }
        /* 如果没有找到对应的内存链表，则尝试扩展内存 */
        if (!ptr) {
            size_t allocation_size = ZMALLOC_ALIGN(size + PREFIX_SIZE);
            if (allocation_size + zl.used_memory 
                hdr = (struct zmalloc_hdr *) malloc(allocation_size);
                hdr->size = allocation_size;
                hdr->used = size + PREFIX_SIZE;
                hdr->free = 0;
                hdr->prev = NULL;
                if (zl.hdr) {
                    hdr->next = zl.hdr;
                    zl.hdr->prev = hdr;
                } else {
                    hdr->next = NULL;
                }
                zl.hdr = hdr;
                zl.used_memory += allocation_size;
                ptr = (void *) ((char *) (hdr + 1) + PREFIX_SIZE);
            }
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&zl.lock);
    /* 返回分配的内存 */
    return ptr;
}
/* 释放内存 */
void zfree(void *ptr) {
    if (ptr) {
        struct zmalloc_hdr *hdr = (struct zmalloc_hdr *) ((char *) ptr - PREFIX_SIZE);
        pthread_mutex_lock(&zl.lock);
        if (!hdr->free) {
            hdr->free = 1;
            hdr->used -= PREFIX_SIZE;
            zl.used_memory -= PREFIX_SIZE;
        }
        if (!hdr->used) {
            /* 如果内存块已被释放，则从内存链表中移除 */
            if (hdr->prev) {
                hdr->prev->next = hdr->next;
            } else {
                zl.hdr = hdr->next;
            }
            if (hdr->next) {
                hdr->next->prev = hdr->prev;
            }
            zl.used_memory -= hdr->size;
            free(hdr);
        }
        pthread_mutex_unlock(&zl.lock);
    }
}
/* 扩展内存 */
void *zrealloc(void *ptr, size_t size) {
    size_t old_size;
    void *new_ptr;
    if (ptr == NULL) {
        return zmalloc(size);
    }
    if (size == 0) {
        zfree(ptr);
        return NULL;
    }
    struct zmalloc_hdr *hdr = (struct zmalloc_hdr *) ((char *) ptr - PREFIX_SIZE);
    old_size = hdr->used - PREFIX_SIZE;
    new_ptr = zmalloc(size);
    if (new_ptr) {
        memcpy(new_ptr, ptr, old_size 
        zfree(ptr);
    }
    return new_ptr;
}

在Redis中，所有的内存分配和释放都是通过zmalloc和zfree函数完成的。在zmalloc函数中，先尝试在对象池中找到对应的内存链表，如果找到，则分配内存，并将分配的内存块标记为已使用。如果对象池中没有找到对应的内存链表，则尝试扩展内存。而在zfree函数中，只需将已使用内存块的状态标记为未使用即可，如果发现该内存块未被使用，则将其从内存链表中移除，并彻底释放其占用的内存空间。在Redis中，zrealloc函数只是简单地调用了zmalloc和zfree函数。

2. 引用计数的实现

Redis中每个对象都有一个引用计数值，用来表示有多少个指针指向该对象。Redis对引用计数值的的操作主要是由incrRefCount和decrRefCount两个函数完成的（redisObject.c）。

/* redisObject.c */
/* 增加引用计数 */
void incrRefCount(robj *o) {
    o->refcount++;
}
/* 减少引用计数 */
void decrRefCount(robj *o) {
    if (o->refcount 
        printf("Error: refcount is negative.\n");