减少 curl 中内存分配操作（malloc）

今天我在 libcurl 内部又做了一个小改动，使其做更少的 malloc。这一次，泛型链表函数被转换成更少的 malloc (这才是链表函数应有的方式，真的)。

研究 malloc

几周前我开始研究内存分配。这很容易，因为多年前我们 curl 中就已经有内存调试和日志记录系统了。使用 curl 的调试版本，并在我的构建目录中运行此脚本：

1. #!/bin/sh
2. export CURL_MEMDEBUG=$HOME/tmp/curlmem.log
3. ./src/curl http://localhost
4. ./tests/memanalyze.pl -v $HOME/tmp/curlmem.log

对于 curl 7.53.1，这大约有 115 次内存分配。这算多还是少？

内存日志非常基础。为了让你有所了解，这是一个示例片段：

1. MEM getinfo.c:70 free((nil))
2. MEM getinfo.c:73 free((nil))
3. MEM url.c:294 free((nil))
4. MEM url.c:297 strdup(0x559e7150d616)(24)=0x559e73760f98
5. MEM url.c:294 free((nil))
6. MEM url.c:297 strdup(0x559e7150d62e)(22)=0x559e73760fc8
7. MEM multi.c:302 calloc(1,480)=0x559e73760ff8
8. MEM hash.c:75 malloc(224)=0x559e737611f8
9. MEM hash.c:75 malloc(29152)=0x559e737a2bc8
10. MEM hash.c:75 malloc(3104)=0x559e737a9dc8

 

检查日志

然后，我对日志进行了更深入的研究，我意识到在相同的代码行做了许多小内存分配。我们显然有一些相当愚蠢的代码模式，我们分配一个结构体，然后将该结构添加到链表或哈希，然后该代码随后再添加另一个小结构体，如此这般，而且经常在循环中执行。（我在这里说的是我们，不是为了责怪某个人，当然大部分的责任是我自己……）

这两种分配操作将总是成对地出现，并被同时释放。我决定解决这些问题。做非常小的（小于 32 字节）的分配也是浪费的，因为非常多的数据将被用于（在 malloc 系统内）跟踪那个微小的内存区域。更不用说堆碎片了。

因此，将该哈希和链表代码修复为不使用 malloc 是快速且简单的方法，对于最简单的 “curl http://localhost” 传输，它可以消除 20％ 以上的 malloc。

此时，我根据大小对所有的内存分配操作进行排序，并检查所有最小的分配操作。一个突出的部分是在 curl_multi_wait() 中，它是一个典型的在 curl 传输主循环中被反复调用的函数。对于大多数典型情况，我将其转换为使用堆栈。在大量重复的调用函数中避免 malloc 是一件好事。

 

重新计数

现在，如上面的脚本所示，同样的 curl localhost 命令从 curl 7.53.1 的 115 次分配操作下降到 80 个分配操作，而没有牺牲任何东西。轻松地有 26％ 的改善。一点也不差！

由于我修改了 curl_multi_wait()，我也想看看它实际上是如何改进一些稍微更高级一些的传输。我使用了 multi-double.c 示例代码，添加了初始化内存记录的调用，让它使用 curl_multi_wait()，并且并行下载了这两个 URL：

1. http://www.example.com/
2. http://localhost/512M

第二个文件是 512 兆字节的零，第一个文件是一个 600 字节的公共 html 页面。这是 count-malloc.c 代码。

首先，我使用 7.53.1 来测试上面的例子，并使用 memanalyze 脚本检查：

1. Mallocs:33901
2. Reallocs:5
3. Callocs:24
4. Strdups:31
5. Wcsdups:0
6. Frees:33956
7. Allocations:33961
8. Maximum allocated:160385

好了，所以它总共使用了 160KB 的内存，分配操作次数超过 33900 次。而它下载超过 512 兆字节的数据，所以它每 15KB 数据有一次 malloc。是好是坏？

回到 git master，现在是 7.54.1-DEV 的版本 – 因为我们不太确定当我们发布下一个版本时会变成哪个版本号。它可能是 7.54.1 或 7.55.0，它还尚未确定。我离题了，我再次运行相同修改的 multi-double.c 示例，再次对内存日志运行 memanalyze，报告来了：

1. Mallocs:69
2. Reallocs:5
3. Callocs:24
4. Strdups:31
5. Wcsdups:0
6. Frees:124
7. Allocations:129
8. Maximum allocated:153247

我不敢置信地反复看了两遍。发生什么了吗？为了仔细检查，我最好再运行一次。无论我运行多少次，结果还是一样的。

 

33961 vs 129

在典型的传输中 curl_multi_wait() 被调用了很多次，并且在传输过程中至少要正常进行一次内存分配操作，因此删除那个单一的微小分配操作对计数器有非常大的影响。正常的传输也会做一些将数据移入或移出链表和散列操作，但是它们现在也大都是无 malloc 的。简单地说：剩余的分配操作不会在传输循环中执行，所以它们的重要性不大。

以前的 curl 是当前示例分配操作数量的 263 倍。换句话说：新的是旧的分配操作数量的 0.37％ 。

另外还有一点好处，新的内存分配量更少，总共减少了 7KB（4.3％）。

 

malloc 重要吗？

在几个 G 内存的时代里，在传输中有几个 malloc 真的对于普通人有显著的区别吗？对 512MB 数据进行的 33832 个额外的 malloc 有什么影响？

为了衡量这些变化的影响，我决定比较 localhost 的 HTTP 传输，看看是否可以看到任何速度差异。localhost 对于这个测试是很好的，因为没有网络速度限制，更快的 curl 下载也越快。服务器端也会相同的快/慢，因为我将使用相同的测试集进行这两个测试。

我相同方式构建了 curl 7.53.1 和 curl 7.54.1-DEV，并运行这个命令：

1. curl http://localhost/80GB -o /dev/null

下载的 80GB 的数据会尽可能快地写到空设备中。

我获得的确切数字可能不是很有用，因为它将取决于机器中的 CPU、使用的 HTTP 服务器、构建 curl 时的优化级别等，但是相对数字仍然应该是高度相关的。新代码对决旧代码！

7.54.1-DEV 反复地表现出更快 30％！我的早期版本是 2200MB/秒增加到当前版本的超过 2900 MB/秒。

这里的要点当然不是说它很容易在我的机器上使用单一内核以超过 20GB/秒的速度来进行 HTTP 传输，因为实际上很少有用户可以通过 curl 做到这样快速的传输。关键在于 curl 现在每个字节的传输使用更少的 CPU，这将使更多的 CPU 转移到系统的其余部分来执行任何需要做的事情。或者如果设备是便携式设备，那么可以省电。

关于 malloc 的成本：512MB 测试中，我使用旧代码发生了 33832 次或更多的分配。旧代码以大约 2200MB/秒的速率进行 HTTP 传输。这等于每秒 145827 次 malloc – 现在它们被消除了！600 MB/秒的改进意味着每秒钟 curl 中每个减少的 malloc 操作能额外换来多传输 4300 字节。

 

去掉这些 malloc 难吗？

一点也不难，非常简单。然而，有趣的是，在这个旧项目中，仍然有这样的改进空间。我有这个想法已经好几年了，我很高兴我终于花点时间来实现。感谢我们的测试套件，我可以有相当大的信心做这个“激烈的”内部变化，而不会引入太可怕的回归问题。由于我们的 API 很好地隐藏了内部，所以这种变化可以完全不改变任何旧的或新的应用程序……

（是的，我还没在版本中发布该变更，所以这还有风险，我有点后悔我的“这很容易”的声明……）

 

注意数字

curl 的 git 仓库从 7.53.1 到今天已经有 213 个提交。即使我没有别的想法，可能还会有一次或多次的提交，而不仅仅是内存分配对性能的影响。

 

还有吗？

还有其他类似的情况么？

也许。我们不会做很多性能测量或比较，所以谁知道呢，我们也许会做更多的愚蠢事情，我们可以收手并做得更好。有一个事情是我一直想做，但是从来没有做，就是添加所使用的内存/malloc 和 curl 执行速度的每日“监视” ，以便更好地跟踪我们在这些方面不知不觉的回归问题。

 

补遗，4/23

（关于我在 hacker news、Reddit 和其它地方读到的关于这篇文章的评论）

有些人让我再次运行那个 80GB 的下载，给出时间。我运行了三次新代码和旧代码，其运行“中值”如下：

旧代码：

1. real 0m36.705s
2. user 0m20.176s
3. sys 0m16.072s

新代码：

1. real 0m29.032s
2. user 0m12.196s
3. sys 0m12.820s

承载这个 80GB 文件的服务器是标准的 Apache 2.4.25，文件存储在 SSD 上，我的机器的 CPU 是 i7 3770K 3.50GHz 。

有些人也提到 alloca() 作为该补丁之一也是个解决方案，但是 alloca() 移植性不够，只能作为一个孤立的解决方案，这意味着如果我们要使用它的话，需要写一堆丑陋的 #ifdef。

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via: https://daniel.haxx.se/blog/2017/04/22/fewer-mallocs-in-curl/

作者：DANIEL STENBERG 译者：geekpi 校对：wxy

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