高铭杰

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Postgresql源码（110）分析dsm动态共享内存分配与共享内存mq实例（dsm/toc接口备忘录）

dsm/toc使用备忘

用dsm框架的流程

  1. 评估共享内存大小：多次用shm_toc_estimate_chunk、shm_toc_estimate_keys向estimate中增加数据结构，最后用shm_toc_estimate得出刚才增加的总大小。
  2. 申请共享内存：dsm_create
  3. 共享内存头部放kv管理结构toc：shm_toc_create，现在共享内存中可以使用toc接口，以kv的形式存放数据结构了。
  4. 例如需要存放FixedParallelState结构
    1. 第一步：在刚才申请的共享内存段中，申请一个起始地址：shm_toc_allocate
    2. 第二步：拿到地址后，转为FixedParallelState开始赋值。
    3. 第三步：最后调用toc接口shm_toc_insert(pcxt->toc, PARALLEL_KEY_FIXED, fps)，将刚才的数据结构地址关联一个PARALLEL_KEY_FIXED，使用的时候用PARALLEL_KEY_FIXED查找即可fps = shm_toc_lookup(toc, PARALLEL_KEY_FIXED, false)。

0 概念

数据结构含义：

  1. dsm_segment（动态共享内存段）：
    • 每个后端进程可以通过使用dsm_segment来访问共享内存。dsm_segment包含了内存分配和释放等操作所需的信息，并提供了一组函数来管理和操作共享内存。每个会话（session）都可以有一个或多个dsm_segment。
    • 提供共享内存，dsm_segment表示申请的一个共享内存段，对于dsm api来说这是代表共享内存的最小单位。
  2. shm_mq_handle（共享内存消息队列句柄）
    • shm_mq_handle则是用于在共享内存中进行消息传递的句柄。它提供了一组函数来发送和接收消息，并提供了同步和互斥机制，确保多个进程之间的顺序和一致性。
    • 使用dsm_segment提供共享内存段做进程通信。

在实际使用中，通常会将它们组合在一起，以实现共享内存中的消息传递机制。

1 shm_toc初始化一段共享内存，共享内存是从哪来的？

在PG代码中可以看到shm_toc初始化一段内存，在头部放置shm_toc，这块内存叫做一个内存段，shm_toc_create函数接受已经申请好的内存地址，在头部初始化shm_toc（表示内存段头），后面可以存放用户自定义数据，比如message queue所需的结构体、数据等。

初始化一段共享内存，在头上放shm_toc结构，明显是用来记录内存段管理的一些数据。

struct shm_toc
{
	uint64		toc_magic;		/* Magic number identifying this TOC */
	slock_t		toc_mutex;		/* Spinlock for mutual exclusion */
	Size		toc_total_bytes;	/* Bytes managed by this TOC */
	Size		toc_allocated_bytes;	/* Bytes allocated of those managed */
	uint32		toc_nentry;		/* Number of entries in TOC */
	shm_toc_entry toc_entry[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];
};

初始化

shm_toc *
shm_toc_create(uint64 magic, void *address, Size nbytes)
{
	shm_toc    *toc = (shm_toc *) address;

	Assert(nbytes > offsetof(shm_toc, toc_entry));
	toc->toc_magic = magic;
	SpinLockInit(&toc->toc_mutex);

	/*
	 * The alignment code in shm_toc_allocate() assumes that the starting
	 * value is buffer-aligned.
	 */
	toc->toc_total_bytes = BUFFERALIGN_DOWN(nbytes);
	toc->toc_allocated_bytes = 0;
	toc->toc_nentry = 0;

	return toc;
}

那么shm_toc_create用的内存是从哪来的？

2 动态mmap一段新的共享内存（dsm机制）

  1. Postgresql能看到很多dsm开头的函数，这类函数属于运行时动态申请共享内存模块（ dynamic shared memory）。
  2. 《Postgresql源码（90）共享内存申请CreateSharedMemoryAndSemaphores》介绍过，PG的共享内存是在启动时，直接用mmap 一次性申请大匿名块，然后自己切分使用的。但如果运行时需要申请新的、不定大小的共享内存块，肯定无法再启动时预先申请，这就引入了dsm模块。

3 dsm申请共享内存应用实例：mq

在源码中有一个非常好的例子，可以用来分析dsm申请内存用作mq的方法：

src/test/modules/test_shm_mq

下面对代码流程做一些分析，主要分析动态申请共享内存的过程，不涉及初始化后的使用流程。

3.1 内存初始化：test_shm_mq_setup

void
test_shm_mq_setup(int64 queue_size, int32 nworkers, dsm_segment **segp,
				  shm_mq_handle **output, shm_mq_handle **input)
{
	dsm_segment *seg;
	test_shm_mq_header *hdr;
	shm_mq	   *outq = NULL;	/* placate compiler */
	shm_mq	   *inq = NULL;		/* placate compiler */
	worker_state *wstate;

	/* Set up a dynamic shared memory segment. */
	setup_dynamic_shared_memory(queue_size, nworkers, &seg, &hdr, &outq, &inq);
	*segp = seg;

	/* Register background workers. */
	wstate = setup_background_workers(nworkers, seg);

	/* Attach the queues. */
	*output = shm_mq_attach(outq, seg, wstate->handle[0]);
	*input = shm_mq_attach(inq, seg, wstate->handle[nworkers - 1]);

	/* Wait for workers to become ready. */
	wait_for_workers_to_become_ready(wstate, hdr);

	/*
	 * Once we reach this point, all workers are ready.  We no longer need to
	 * kill them if we die; they'll die on their own as the message queues
	 * shut down.
	 */
	cancel_on_dsm_detach(seg, cleanup_background_workers,
						 PointerGetDatum(wstate));
	pfree(wstate);
}

第一步：申请共享内存setup_dynamic_shared_memory

static void
setup_dynamic_shared_memory(int64 queue_size, int nworkers,
							dsm_segment **segp, test_shm_mq_header **hdrp,
							shm_mq **outp, shm_mq **inp)
{
	shm_toc_estimator e;
	int			i;
	Size		segsize;
	dsm_segment *seg;
	shm_toc    *toc;
	test_shm_mq_header *hdr;

用estimator来评估需要多少共享内存（可以不用自己算了：）
评估器的接口：

  • shm_toc_initialize_estimator：初始化记录（key的个数和chunk的总大小）。
  • shm_toc_estimate_chunk：需要多大的chunk？调用一次记录一个指定大小的chunk，对齐到32字节上。
  • shm_toc_estimate_keys：需要几个key？这里记录一下
  • shm_toc_estimate：把之前记录的结构换算成大小

评估器的原理：记录key的个数和chunk的总大小即可。

	shm_toc_initialize_estimator(&e);
	shm_toc_estimate_chunk(&e, sizeof(test_shm_mq_header));
	for (i = 0; i <= nworkers; ++i)
		shm_toc_estimate_chunk(&e, (Size) queue_size);
	shm_toc_estimate_keys(&e, 2 + nworkers);
	segsize = shm_toc_estimate(&e);

评估完了开始用dsm_create申请新的共享内存了！

dsm_impl_op→dsm_impl_op→dsm_impl_mmap来具体从os申请共享内存，不深入了。

现在拿到seg就是dsm_segment动态共享内存段，代表一段共享内存（段内部有dsm_control一套管理机制，需要深入的话可以看看dsm_create代码），这里只需要指导这是一段按需要大小mmap出来的共享内存就好了。

	/* Create the shared memory segment and establish a table of contents. */
	seg = dsm_create(shm_toc_estimate(&e), 0);

在共享内存其实的位置，放一个shm_toc结构，作为后面数据的表头和索引

---------------- 共享内存起始地址
struct shm_toc
{
	uint64		toc_magic;				/* Magic number identifying this TOC */
	slock_t		toc_mutex;				/* Spinlock for mutual exclusion */
	Size		toc_total_bytes;		/* Bytes managed by this TOC */
	Size		toc_allocated_bytes;	/* Bytes allocated of those managed */
	uint32		toc_nentry;				/* Number of entries in TOC */
	shm_toc_entry toc_entry[0];
};
---------------- 申请空间是从最高地址开始的用的，索引数组toc_entry从低到高，数据从高到低，和page一样
toc_entry[0]   -------------\
----------------             |
toc_entry[1]                 |
----------------             |
toc_entry[2]  ---------\     |
----------------       |     |
data <-----------------/     |
...                          |
data                         |
...                          |
data <----------------------/
----------------

	toc = shm_toc_create(PG_TEST_SHM_MQ_MAGIC, dsm_segment_address(seg),
						 segsize);

申请一段用户自定义数据空间，放一个test_shm_mq_header结构。

	hdr = shm_toc_allocate(toc, sizeof(test_shm_mq_header));
	SpinLockInit(&hdr->mutex);
	hdr->workers_total = nworkers;
	hdr->workers_attached = 0;
	hdr->workers_ready = 0;

初始化好数据结构后，把数据插进去，位置前面shm_toc_allocate已经申请好了，这一步shm_toc_insert主要是配置toc_entry那个索引数组！具体就是toc_entry[0]的key和offset，下次用的时候用0就能找到offset了。

	shm_toc_insert(toc, 0, hdr);

	/* Set up one message queue per worker, plus one. */
	for (i = 0; i <= nworkers; ++i)
	{
		shm_mq	   *mq;

每个worker申请一个queue_size，按上面方法allocate+insert。

		mq = shm_mq_create(shm_toc_allocate(toc, (Size) queue_size),
						   (Size) queue_size);
		shm_toc_insert(toc, i + 1, mq);

		if (i == 0)
		{

把mq用户需要的数据结构传进去进行需要的配置即可，shm_toc_insert完了也可以用，alloc出来的地址直接指向共享内存，可以在当前进程一直使用。

			/* We send messages to the first queue. */
			shm_mq_set_sender(mq, MyProc);
			*outp = mq;
		}
		if (i == nworkers)
		{
			/* We receive messages from the last queue. */
			shm_mq_set_receiver(mq, MyProc);
			*inp = mq;
		}
	}

	/* Return results to caller. */
	*segp = seg;
	*hdrp = hdr;
}

第二步：配置bgworker：setup_background_workers

static worker_state *
setup_background_workers(int nworkers, dsm_segment *seg)
{
	MemoryContext oldcontext;
	BackgroundWorker worker;
	worker_state *wstate;
	int			i;

	oldcontext = MemoryContextSwitchTo(CurTransactionContext);

setup_background_workers函数目标是构造worker_state，下面是worker_state的内存结构：

------------------------------
typedef struct
{
	int			nworkers;
	BackgroundWorkerHandle *handle[];  //  flex数组，每个位置对应一个worker
	{
		int			slot;
		uint64		generation;
	}
} worker_state;
------------------------------
handle[0]    
------------------------------
handle[1]
------------------------------
handle[2]
------------------------------

	wstate = MemoryContextAlloc(TopTransactionContext,
								offsetof(worker_state, handle) +
								sizeof(BackgroundWorkerHandle *) * nworkers);
	wstate->nworkers = 0;
	
	on_dsm_detach(seg, cleanup_background_workers,
				  PointerGetDatum(wstate));

	/* Configure a worker. */

配通用的worker通用部分：

	memset(&worker, 0, sizeof(worker));
	worker.bgw_flags = BGWORKER_SHMEM_ACCESS;
	worker.bgw_start_time = BgWorkerStart_ConsistentState;
	worker.bgw_restart_time = BGW_NEVER_RESTART;
	sprintf(worker.bgw_library_name, "test_shm_mq");
	sprintf(worker.bgw_function_name, "test_shm_mq_main");
	snprintf(worker.bgw_type, BGW_MAXLEN, "test_shm_mq");
	worker.bgw_main_arg = UInt32GetDatum(dsm_segment_handle(seg));
	/* set bgw_notify_pid, so we can detect if the worker stops */
	worker.bgw_notify_pid = MyProcPid;

把worker通用的部分传进去，拼每个worker特有的部分

	/* Register the workers. */
	for (i = 0; i < nworkers; ++i)
	{

从BackgroundWorkerData->slot数组（bgworker管理的全局变量记录使用所有使用中未使用的bgworker，每个worker一个slot）里面拿到一个没使用的slot，记录slot的id到handle[i]中并返回即可。

		if (!RegisterDynamicBackgroundWorker(&worker, &wstate->handle[i]))
			ereport(ERROR,
					(errcode(ERRCODE_INSUFFICIENT_RESOURCES),
					 errmsg("could not register background process"),
					 errhint("You may need to increase max_worker_processes.")));
		++wstate->nworkers;
	}

	/* All done. */
	MemoryContextSwitchTo(oldcontext);
	return wstate;
}

第三步：剩余流程

void
test_shm_mq_setup(int64 queue_size, int32 nworkers, dsm_segment **segp,
				  shm_mq_handle **output, shm_mq_handle **input)
{
	dsm_segment *seg;
	test_shm_mq_header *hdr;
	shm_mq	   *outq = NULL;	/* placate compiler */
	shm_mq	   *inq = NULL;		/* placate compiler */
	worker_state *wstate;

	/* Set up a dynamic shared memory segment. */
	setup_dynamic_shared_memory(queue_size, nworkers, &seg, &hdr, &outq, &inq);
	*segp = seg;

	/* Register background workers. */
	wstate = setup_background_workers(nworkers, seg);

第三步到这里了，shm_mq_handle的作用是构建一个shm_mq_handle，记录dsm seg、mq、bgworker的handle

	/* Attach the queues. */
	*output = shm_mq_attach(outq, seg, wstate->handle[0]);
	*input = shm_mq_attach(inq, seg, wstate->handle[nworkers - 1]);

用取一个PID的方式检查worker是不是ready了。

	wait_for_workers_to_become_ready(wstate, hdr);

	cancel_on_dsm_detach(seg, cleanup_background_workers,
						 PointerGetDatum(wstate));
	pfree(wstate);
}

到这里内存初始化的工作做完了。后面可以直接调用mq的api发送信息，本篇不在关注。

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