阿布云
你所需要的，不仅仅是一个好用的代理。
Python内存管理模块的一个小思考
发表于
2018-03-16
最近在读Python源码中有关内存管理的部分。Python在分配小块内存（小于256字节）时，采用了内存池，以降低对内核内存分配程序的调用频次。在内存池的设计上，采用了一个分层的设计，由上到下依次是arena、pool、block。这次我看到的这个比较费解的结构，就来自于分配内存时，对于pool的处理。
谜团
在最主要的分配内存的函数_PyObject_Alloc中，我看到了这么一段代码：
pool = usable_arenas->freepools;
// some other code ...
init_pool:
/* Frontlink to used pools. */
next = usedpools[size + size]; /* == prev */
pool->nextpool = next;
pool->prevpool = next;
next->nextpool = pool;
next->prevpool = pool;
从注释和函数命名中也能看出来，这段代码的意思，大概是从arena的freepools中拿出一个pool，插入到usedpools的开头。但是，这里有一个奇怪的地方：
如果说usedpools中存储的不同size的pool链表，那么为什么index要用size+size来表示呢？
初探
首先，我在代码中搜索了一下usedpools，找到了这么一段注释：
This is involved. For an index i, usedpools[i+i] is the header for a list of
all partially used pools holding small blocks with “size class idx” i. So
usedpools[0] corresponds to blocks of size 8, usedpools[2] to blocks of size
16, and so on: index 2*i <-> blocks of size (i+1)<<ALIGNMENT_SHIFT.
哦，就是说，我要找到保存8字节block的pool，就去usedpools[0+0];找16字节的pool，就去usedpools[1+1]。再看一下上面代码中的size的由来：
size = (uint)(nbytes - 1) >> ALIGNMENT_SHIFT;
果然可以和注释里写的对应起来（注意，注释里的2*i是usedpools的index，而这里的nbytes是实际需要分配的block的字节大小，所以一个需要左移位，一个需要右移位，互相转换）。
但是目前为止，好像处在一个“知其然，而不知其所以然”的状态：这里没有解释为什么是这样一个奇葩的size+size的index。
深入
往下，又有一段注释（Python源码的注释真详细）：
Major obscurity: While the usedpools vector is declared to have poolp
entries, it doesn’t really. It really contains two pointers per (conceptual)
poolp entry, the nextpool and prevpool members of a pool_header. The
excruciating initialization code below fools C so that
usedpool[i+i]
“acts like” a genuine poolp, but only so long as you only reference its
nextpool and prevpool members. The “- 2 sizeof(block )” gibberish is
compensating for that a pool_header’s nextpool and prevpool members
immediately follow a pool_header’s first two members:
union { block *_padding;
uint count; } ref;
block *freeblock;
each of which consume sizeof(block
) bytes. So what usedpools[i+i] really
if* C believes it’s a poolp
pointer, then p->nextpool and p->prevpool are both p (meaning that the headed circular list is empty).
这一大段注释说了什么呢？大意就是，你以为usedpools里放的是poolp类型？其实里面是两两一对的poolp，一个是nextpool指针，一个是prevpool指针。这里还使用了一些trick，让C语言认为usedpools里放的是pool_header变量，只要使用者能保证只使用它的nextpool、prevpool成员。
直接看usedpools的定义吧：
#define PTA(x) ((poolp )((uint8_t *)&(usedpools[2*(x)]) - 2*sizeof(block *)))
#define PT(x) PTA(x), PTA(x)
static poolp usedpools[2 * ((NB_SMALL_SIZE_CLASSES + 7) / 8) * 8] = {
PT(0), PT(1), PT(2), PT(3), PT(4), PT(5), PT(6), PT(7)
#if NB_SMALL_SIZE_CLASSES > 8
, PT(8), PT(9), PT(10), PT(11), PT(12), PT(13), PT(14), PT(15)
……
};
展开宏定义：
static poolp usedpools[2 * ((NB_SMALL_SIZE_CLASSES + 7) / 8) * 8] = {
PTA(0), PTA(0),PTA(1),PTA(1), PTA(2),PTA(2), PTA(3),PTA(3),...
……
};
而PTA(x)定义为，usedpools[2x]的地址减去2个block*长度的地址。结合pool_header的定义：
struct pool_header {
union { block *_padding;
uint count; } ref; /* number of allocated blocks */
block *freeblock; /* pool's free list head */
struct pool_header *nextpool; /* next pool of this size class */
struct pool_header *prevpool; /* previous pool "" */
uint arenaindex; /* index into arenas of base adr */
uint szidx; /* block size class index */
uint nextoffset; /* bytes to virgin block */
uint maxnextoffset; /* largest valid nextoffset */
};
nextpool和pool_header的地址之间，正好差了2个block*的偏移量。所以，在初始化usedpools之后，当把usedpools[size+size]当作pool_header时，那么usedpools[size+size]->nextpool将正好取到usedpools[size+size]的地址，也就是指向usedpools[size+size]；而usedpools[size+size]->prevpool将也正好取到usedpools[size+size]的地址。因此：
next = usedpools[size + size]; /* == prev */
这段代码+注释就说得通了。
然后，经过：
pool->nextpool = next;
pool->prevpool = next;
next->nextpool = pool;
next->prevpool = pool;
这么一折腾，usedpools中存储的一对地址（nextpool, prevpool）就指向了真正的pool_header变量pool。
知其所以然
但是，为什么要这么绕的设计这样的usedpools结构呢，直接存储一个完整的pool_header不简单明了吗？下面这段注释给出了答案：
It’s unclear why the usedpools setup is so convoluted. It could be to
minimize the amount of cache required to hold this heavily-referenced table
(which only needs the two interpool pointer members of a pool_header).
就是说，这样的一个usedpools表，会经常的被使用，使用这种结构，就可以减少放入缓存中的数据量（毕竟，我们只需要放入两个指针，而不是整个pool_header)，从而也就提高了缓存的效率。为了提高效率，还真是无所不用其极啊。
到这里，obmalloc.c中我认为最费解的一个数据结构，就弄清楚啦。