《C++实战项目-高并发内存池》8. 最终性能优化与测试

news2026/4/2 6:12:56
Yupureki:个人主页✨个人专栏:《C》 《算法》《Linux系统编程》《高并发内存池》Yupureki的简介:目录1. 使用基数树进行优化2. 性能测试完整项目链接https://github.com/Yupureki-code/ConcurrentMemoryPool1. 使用基数树进行优化现内存池中存在一个比较严重的性能问题:PageCache需要加锁。特别是查找页ID到Span的映射时因为PageCache中不断存在修改的情况如果在一个线程查询的过程中另一个线程同时把这个Span给拿走了那就出大问题了。同时这把锁直接把整个PageCache给锁住了因此对锁的竞争会很严重同时没抢到锁的线程会一直在外面干瞪眼这造成了严重的性能浪费因此Google的大佬们使用了一个新的数据结构:基数树感兴趣的可以了解:Linux Kernel内核数据结构之基数树Radix Tree - 知乎基数树写之前会提前开好空间写数据过程中不会动结构。因为读写是分离的。线程1对一个位置读写的时候线程2不可能对这个位置读写。TCMalloc源码中有三个基数树的模板适用于不同的场景这里我们只使用前两个模板注意:该项目暂时只能在32位平台下使用基数树TCMalloc基数树(略微修改):#pragma once #include Common.h #include ObjectPool.h // Single-level array template int BITS class TCMalloc_PageMap1 { private: static const int LENGTH 1 BITS; void** array_; public: typedef uintptr_t Number; //explicit TCMalloc_PageMap1(void* (*allocator)(size_t)) { explicit TCMalloc_PageMap1() { //array_ reinterpret_castvoid**((*allocator)(sizeof(void*) BITS)); size_t size sizeof(void*) BITS; size_t alignSize SizeClass::_RoundUp(size, 1 PAGE_SHIFT); array_ (void**)SystemAlloc(alignSize PAGE_SHIFT); memset(array_, 0, sizeof(void*) BITS); } // Return the current value for KEY. Returns NULL if not yet set, // or if k is out of range. void* get(Number k) const { if ((k BITS) 0) { return NULL; } return array_[k]; } // REQUIRES k is in range [0,2^BITS-1]. // REQUIRES k has been ensured before. // // Sets the value v for key k. void set(Number k, void* v) { array_[k] v; } }; // Two-level radix tree template int BITS class TCMalloc_PageMap2 { private: // Put 32 entries in the root and (2^BITS)/32 entries in each leaf. static const PAGE_ID ROOT_BITS 5; static const PAGE_ID ROOT_LENGTH (PAGE_ID)1 ROOT_BITS; static const PAGE_ID LEAF_BITS BITS - ROOT_BITS; static const PAGE_ID LEAF_LENGTH (PAGE_ID)1 LEAF_BITS; // Leaf node struct Leaf { void* values[LEAF_LENGTH]; }; Leaf* root_[ROOT_LENGTH]; // Pointers to 32 child nodes void* (*allocator_)(size_t); // Memory allocator public: typedef uintptr_t Number; //explicit TCMalloc_PageMap2(void* (*allocator)(size_t)) { explicit TCMalloc_PageMap2() { //allocator_ allocator; memset(root_, 0, sizeof(root_)); PreallocateMoreMemory(); } void* get(Number k) const { const Number i1 k LEAF_BITS; const Number i2 k (LEAF_LENGTH - 1); if ((k BITS) 0 || root_[i1] NULL) { return NULL; } return root_[i1]-values[i2]; } void set(Number k, void* v) { const Number i1 k LEAF_BITS; const Number i2 k (LEAF_LENGTH - 1); // Defensive checks: k must fit in BITS and i1 must be within root range if ((k BITS) ! 0 || i1 ROOT_LENGTH) { // Out of range key: ignore or handle as appropriate return; } // Ensure leaf exists. Ensure() is responsible for allocating the leaf // and zero-initializing it. If Ensure fails, avoid writing. if (root_[i1] NULL) { if (!Ensure(k, 1)) { return; } } // Final bounds check for i2 to avoid corrupting memory if constants // are misconfigured or subject to UB elsewhere. if (i2 LEAF_LENGTH) { return; } root_[i1]-values[i2] v; } bool Ensure(Number start, size_t n) { for (Number key start; key start n - 1;) { const Number i1 key LEAF_BITS; // Check for overflow if (i1 ROOT_LENGTH) return false; // Make 2nd level node if necessary if (root_[i1] NULL) { //Leaf* leaf reinterpret_castLeaf*((*allocator_)(sizeof(Leaf))); //if (leaf NULL) return false; static ObjectPoolLeaf leafPool; Leaf* leaf (Leaf*)leafPool.New(); memset(leaf, 0, sizeof(*leaf)); root_[i1] leaf; } // Advance key past whatever is covered by this leaf node key ((key LEAF_BITS) 1) LEAF_BITS; } return true; } void PreallocateMoreMemory() { // Allocate enough to keep track of all possible pages Ensure(0, (PAGE_ID)1 BITS); } }; // Three-level radix tree template int BITS class TCMalloc_PageMap3 { private: // How many bits should we consume at each interior level static const int INTERIOR_BITS (BITS 2) / 3; // Round-up static const int INTERIOR_LENGTH 1 INTERIOR_BITS; // How many bits should we consume at leaf level static const int LEAF_BITS BITS - 2 * INTERIOR_BITS; static const int LEAF_LENGTH 1 LEAF_BITS; // Interior node struct Node { Node* ptrs[INTERIOR_LENGTH]; }; // Leaf node struct Leaf { void* values[LEAF_LENGTH]; }; Node* root_; // Root of radix tree void* (*allocator_)(size_t); // Memory allocator Node* NewNode() { Node* result reinterpret_castNode*((*allocator_)(sizeof(Node))); if (result ! NULL) { memset(result, 0, sizeof(*result)); } return result; } public: typedef uintptr_t Number; explicit TCMalloc_PageMap3(void* (*allocator)(size_t)) { allocator_ allocator; root_ NewNode(); } void* get(Number k) const { const Number i1 k (LEAF_BITS INTERIOR_BITS); const Number i2 (k LEAF_BITS) (INTERIOR_LENGTH - 1); const Number i3 k (LEAF_LENGTH - 1); if ((k BITS) 0 || root_-ptrs[i1] NULL || root_-ptrs[i1]-ptrs[i2] NULL) { return NULL; } return reinterpret_castLeaf*(root_-ptrs[i1]-ptrs[i2])-values[i3]; } void set(Number k, void* v) { ASSERT(k BITS 0); const Number i1 k (LEAF_BITS INTERIOR_BITS); const Number i2 (k LEAF_BITS) (INTERIOR_LENGTH - 1); const Number i3 k (LEAF_LENGTH - 1); reinterpret_castLeaf*(root_-ptrs[i1]-ptrs[i2])-values[i3] v; } bool Ensure(Number start, size_t n) { for (Number key start; key start n - 1;) { const Number i1 key (LEAF_BITS INTERIOR_BITS); const Number i2 (key LEAF_BITS) (INTERIOR_LENGTH - 1); // Check for overflow if (i1 INTERIOR_LENGTH || i2 INTERIOR_LENGTH) return false; // Make 2nd level node if necessary if (root_-ptrs[i1] NULL) { Node* n NewNode(); if (n NULL) return false; root_-ptrs[i1] n; } // Make leaf node if necessary if (root_-ptrs[i1]-ptrs[i2] NULL) { Leaf* leaf reinterpret_castLeaf*((*allocator_)(sizeof(Leaf))); if (leaf NULL) return false; memset(leaf, 0, sizeof(*leaf)); root_-ptrs[i1]-ptrs[i2] reinterpret_castNode*(leaf); } // Advance key past whatever is covered by this leaf node key ((key LEAF_BITS) 1) LEAF_BITS; } return true; } void PreallocateMoreMemory() { } };我们使用基数树替换SpanMap原本的哈希表结构TCMalloc_PageMap232 - PAGE_SHIFT _id_span_map;同时部分接口也需要替换:set(key,value)如:Span* PageCache::NewSpan(size_t k) { assert(k 0); if (k NPAGES - 1) { ...... _id_span_map.set(id, span); return span; } if (!_spanlists[k].Empty()) { Span* kspan _spanlists[k].PopFront(); for (size_t i 0; i kspan-_num; i) _id_span_map.set(kspan-_page_id i, kspan); return kspan; } for (size_t i k 1; i NPAGES; i) { if (!_spanlists[i].Empty()) { ...... _id_span_map.set(nspan-_page_id,nspan); _id_span_map.set(nspan-_page_id nspan-_num - 1,nspan); for (size_t i 0; i kspan-_num; i) _id_span_map.set(kspan-_page_id i,kspan); return kspan; } } ...... return NewSpan(k); }get(key)返回值:value如:Span* PageCache::SpanMapFindObject(void* ptr) { PAGE_ID id ((PAGE_ID)ptr PAGE_SHIFT); Span* span (Span*)_id_span_map.get(id); assert(span ! nullptr); return span; }2. 性能测试// ntimes 一轮申请和释放内存的次数 // rounds 轮次 void BenchmarkMalloc(size_t ntimes, size_t nworks, size_t rounds) { std::vectorstd::thread vthread(nworks); std::atomicsize_t malloc_costtime 0; std::atomicsize_t free_costtime 0; for (size_t k 0; k nworks; k) { vthread[k] std::thread([, k]() { std::vectorvoid* v; v.reserve(ntimes); for (size_t j 0; j rounds; j) { size_t begin1 clock(); for (size_t i 0; i ntimes; i) { //v.push_back(malloc(16)); v.push_back(malloc((16 i) % 8192 1)); } size_t end1 clock(); size_t begin2 clock(); for (size_t i 0; i ntimes; i) { free(v[i]); } size_t end2 clock(); v.clear(); malloc_costtime (end1 - begin1); free_costtime (end2 - begin2); } }); } for (auto t : vthread) { t.join(); } printf(%zu个线程并发执行%zu轮次每轮次malloc %zu次: 花费%zu ms\n, nworks, rounds, ntimes, malloc_costtime.load()); printf(%zu个线程并发执行%zu轮次每轮次free %zu次: 花费%zu ms\n, nworks, rounds, ntimes, free_costtime.load()); printf(%zu个线程并发mallocfree %zu次总计花费%zu ms\n, nworks, nworks * rounds * ntimes, malloc_costtime.load() free_costtime.load()); } // 单轮次申请释放次数 线程数 轮次 void BenchmarkConcurrentMalloc(size_t ntimes, size_t nworks, size_t rounds) { std::vectorstd::thread vthread(nworks); std::atomicsize_t malloc_costtime 0; std::atomicsize_t free_costtime 0; for (size_t k 0; k nworks; k) { vthread[k] std::thread([]() { std::vectorvoid* v; v.reserve(ntimes); for (size_t j 0; j rounds; j) { size_t begin1 clock(); for (size_t i 0; i ntimes; i) { //v.push_back(ConcurrentAlloc(16)); v.push_back(ConcurrentAlloc((16 i) % 8192 1)); } size_t end1 clock(); size_t begin2 clock(); for (size_t i 0; i ntimes; i) { ConcurrentDealloc(v[i]); } size_t end2 clock(); v.clear(); malloc_costtime (end1 - begin1); free_costtime (end2 - begin2); } }); } for (auto t : vthread) { t.join(); } printf(%zu个线程并发执行%zu轮次每轮次concurrent alloc %zu次: 花费%zu ms\n, nworks, rounds, ntimes, malloc_costtime.load()); printf(%zu个线程并发执行%zu轮次每轮次concurrent dealloc %zu次: 花费%zu ms\n, nworks, rounds, ntimes, free_costtime.load()); printf(%zu个线程并发concurrent allocdealloc %zu次总计花费%zu ms\n, nworks, nworks * rounds * ntimes, malloc_costtime.load() free_costtime.load()); } int main() { size_t n 10000; std::cout std::endl; BenchmarkConcurrentMalloc(n, 4, 10); std::cout std::endl std::endl; BenchmarkMalloc(n, 4, 10); std::cout std::endl; return 0; }

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