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PageCache

news 来源：原创 2025/8/23 6:25:47

一、PageCache的具体过程

二、具体实现代码

一、PageCache的具体过程

页缓存主要解决的是内存外碎片问题，并且直接和系统调用打交道。

申请过程如下：
当中心缓存中没有内存时,会去页缓存申请一个span结构,要经过下面几步:

（1）根据中心缓存的桶号来确定申请的span是几页的
（2）根据中心缓存想要申请的页数,找到页缓存中对应的桶(k页对应k号桶)

情况一: 页缓存的K号桶中存在span结构,直接将这块儿内存返回给中心缓存

情况二: 页缓存的K号桶没有span结构,但是K+1到128号桶中存在span结构,假设n号桶有span,则将这个大页的span切分为一个k页的span和一个n-k页的span,k页的span返回给中心缓存去使用,而将n-k页的span重新挂在n-k号桶中

情况三: k到128号桶都没有span,此时页缓存会向系统申请一份128页大小的内存,并挂在128号桶中,再将这个128页的span切分为k页的span和128-k页的span,也就转换为了情况二!

二、具体实现代码

#pragma once
#include"Common.hpp"
#include"ObjectPool.hpp"
#include<unordered_map>
#include"PageMap.hpp"class PageCache
{
public:static PageCache* GetInstance(){return &_sInstance;}//获取k页的SpanSpan* NewSpan(size_t k);std::mutex& GetMutex(){return _pageMutex;}// 获取从对象到span的映射Span* MapObjectToSpan(void* obj);// 释放空闲span回到Pagecache，并合并相邻的spanvoid ReleaseSpanToPageCache(Span* span);private:static PageCache _sInstance;PageCache() {}PageCache(const PageCache&) = delete;private://页号和Span的映射关系，方便Span知道自己是属于哪个页的std::unordered_map<PAGE_ID, Span*> _idSpanMap;//TCMalloc_PageMap1<32 - PAGE_SHIFT> _idSpanMap;SpanList _spanlists[NPAGES];std::mutex _pageMutex;ObjectPool<Span> _spanPool;
};//单例模式---饿汉模式
/*inline */PageCache PageCache::_sInstance;  //这个是什么呢void PageCache::ReleaseSpanToPageCache(Span* span)
{//如果大于128页，说明是找堆要的(如果直接找堆要的，但是在32页---128页之间，则不走这里，直接和之前的逻辑一样，让内存池管理)if (span->_pageN>NPAGES-1){void* ptr = (void*)(span->_pageId << PAGE_SHIFT);SystemFree(ptr);//delete span;_spanPool.Delete(span);return;}//1.看该Span的前能否合并，缓解内存碎片问题while (1){PAGE_ID prevId = span->_pageId - 1;auto ret = _idSpanMap.find(prevId);if (ret == _idSpanMap.end()){break;}Span* prevSpan = ret->second;/*auto ret = (Span*)_idSpanMap.get(prevId);if (ret==nullptr){break;}*/if (prevSpan->_isuse==true){break;}//不能合并出超过128页的Spanif (prevSpan->_pageN+span->_pageN>NPAGES-1){break;}//合并span->_pageId = prevSpan->_pageId;span->_pageN += prevSpan->_pageN;_spanlists[prevSpan->_pageN].Erase(prevSpan);//delete prevSpan;_spanPool.Delete(prevSpan);}//2.看该Span的后能否合并，缓解内存碎片问题while (1){PAGE_ID nextId = span->_pageId + span->_pageN;auto ret = _idSpanMap.find(nextId);if (ret == _idSpanMap.end()){break;}Span* nextSpan = ret->second;/*auto ret = (Span*)_idSpanMap.get(nextId);if (ret == nullptr){break;}Span* nextSpan = ret;*/if (nextSpan->_isuse == true){break;}//不能合并出超过128页的Spanif (nextSpan->_pageN + span->_pageN > NPAGES - 1){break;}//合并span->_pageN += nextSpan->_pageN;_spanlists[nextSpan->_pageN].Erase(nextSpan);//delete nextSpan;_spanPool.Delete(nextSpan);}//把合并出来的挂起来_spanlists[span->_pageN].PushFront(span);span->_isuse = false;_idSpanMap[span->_pageId] = span;_idSpanMap[span->_pageId+span->_pageN-1] = span;//_idSpanMap.set(span->_pageId, span);//_idSpanMap.set(span->_pageId + span->_pageN - 1, span);}Span* PageCache::MapObjectToSpan(void* obj)
{//1.求出页号idPAGE_ID id = ((PAGE_ID)obj >> PAGE_SHIFT);//加锁raiistd::unique_lock<std::mutex> lock(_pageMutex);//2.查找该内存块属于哪一个Spanauto ret = _idSpanMap.find(id);if (ret!=_idSpanMap.end()){return ret->second;}else{assert(false);//在这里崩溃了，说明没有找到该Span--->说明有Span映射错误了-->找哪里有建立映射return nullptr;}//auto ret=(Span*)_idSpanMap.get(id);//assert(ret!=nullptr);//return ret;
}Span* PageCache::NewSpan(size_t k)
{assert(k>0&&k<NPAGES);//大于128页，直接找堆要if (k>NPAGES-1){void* ptr = SystemAlloc(k);//创建一个Span对象，管理这个大块内存//Span* span = new Span();Span* span = _spanPool.New();//计算该大块内存的页号span->_pageId = (PAGE_ID)ptr >> PAGE_SHIFT;span->_pageN = k;//把该Span放入哈希映射表(因为PageCache最大管理128页，我直接向堆要的可能仍然小于128页，可以被内存池管理起来)_idSpanMap[span->_pageId] = span;//_idSpanMap.set(span->_pageId,span);return span;}//0.看自己的桶中有没有，有则直接给if (!_spanlists[k].Empty()){//return _spanlists[k].PopFront();Span* kSpan = _spanlists[k].PopFront();//只要从PageCache给出去的Span，都要在map中建立映射for (PAGE_ID i = 0;i < kSpan->_pageN;i++){_idSpanMap[kSpan->_pageId + i] = kSpan;//_idSpanMap.set(kSpan->_pageId+i, kSpan);}return kSpan;}else{//1.看后面的桶有没有比k页大的span，有则切分for (size_t i=k+1;i<NPAGES;i++){if (!_spanlists[i].Empty()){Span* nSpan = _spanlists[i].PopFront();Span* kSpan= _spanPool.New();//切分kSpan->_pageId = nSpan->_pageId;kSpan->_pageN = k;nSpan->_pageId += k;nSpan->_pageN -= k;//把nSpan挂到合适的位置_spanlists[nSpan->_pageN].PushFront(nSpan);//仍然留在PageCache中的SPan只需要记录最开始和最后的映射,因为他没有被使用,只会在合并的时候使用到页号//存储n-kSpan的首尾页号跟Span的映射_idSpanMap[nSpan->_pageId] = nSpan;_idSpanMap[nSpan->_pageId + nSpan->_pageN - 1]=nSpan;//_idSpanMap.set(nSpan->_pageId, nSpan);//_idSpanMap.set(nSpan->_pageId + nSpan->_pageN - 1, nSpan);//给CentralCache的都要建立映射，因为他会把该Span切分成小内存块给ThreadCache使用//建立ID和SPan的映射，方便CentralCache回收小块内存时，查找对应的Spanfor (PAGE_ID i=0;i<kSpan->_pageN;i++){_idSpanMap[kSpan->_pageId + i] = kSpan;//_idSpanMap.set(kSpan->_pageId + i, kSpan);}return kSpan;}}//2.都没有，向堆申请128页的Span，挂到最后一个桶Span* bigSpan = _spanPool.New();void* ptr = SystemAlloc(NPAGES-1);bigSpan->_pageId=(uint64_t)ptr>>PAGE_SHIFT;//这里要注意32位和64位的区别bigSpan->_pageN = NPAGES - 1;//挂起_spanlists[NPAGES - 1].PushFront(bigSpan);//3.对128页的Span进行切分成k页和128-k页的Span(这是一段重复逻辑，直接调用自己即可)return NewSpan(k);}
}

PageCache

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