ClickHouse 内存管理是如何实现的

概述

本文介绍Clickhouse内存管理的实现原理。通过本文的分析，可以对Clickhouse的内存管理有一个概要的理解。

Clickouse内存管理组成

ClickHouse 使用内存管理系统来控制内存资源的分配和释放。内存管理系统的主要组成部分是：

1. 内存池：ClickHouse使用内存池来管理内存资源的分配。内存池被分成固定大小的块，每个块都可以根据需要分配或释放。当一个块被分配时，它会从空闲列表中删除并添加到已分配列表中。当一个块被释放时，它会从分配列表中删除并添加回空闲列表。
2. 内存跟踪器(Memory Tracker)：ClickHouse 使用内存跟踪器来跟踪系统不同部分的内存使用情况，例如查询执行和数据结构。内存跟踪器为每个内存分配分配一个唯一的 ID，并跟踪与每个分配相关的大小、所有者和其他元数据。
3. 内存限制：ClickHouse 使用内存限制来控制系统可以分配的内存量。内存限制在配置文件中设置，可以根据需要进行调整。当达到内存限制时，ClickHouse 将开始通过从空闲列表中释放块或通过将数据从内存刷新到磁盘来释放内存。
4. 垃圾收集：ClickHouse 使用垃圾收集机制定期释放不再使用的内存。垃圾收集器扫描分配列表以查找不再使用的块，并将它们释放回空闲列表。
5. 内存高效的数据结构：ClickHouse 使用内存高效的数据结构来最小化内存使用。例如，它使用列式存储和数据压缩来减少存储数据所需的内存量。

Clickouse内存分配和释放的实现逻辑

ClickHouse的内存分配和释放算法的实现流程如下：

1. ClickHouse使用内存池和分配器来管理内存分配和释放。内存池是一个预先分配的内存块，由多个内存块组成。分配器是一个用于管理内存池的算法。
2. 当需要分配内存时，ClickHouse的分配器会从内存池中分配一块内存。如果内存池中没有可用的内存块，则分配器会向操作系统请求更多内存，并将其添加到内存池中。
3. 当需要释放内存时，ClickHouse会将内存块标记为可回收的。内存池会定期扫描可回收的内存块，并将其标记为可用的。
4. ClickHouse的内存分配和释放算法还使用了一些内存优化技术，例如预分配内存、使用内存池和分配器来避免内存碎片、优化内存分配和释放算法以提高性能、定期清理内存池中的未使用内存以减少内存泄漏的风险等。
5. 内存池的实现类是Arena，它在构造函数中预分配一块内存，并通过维护一个指向当前内存块的指针和一个指向最后一个内存块的指针来跟踪哪些内存块已经分配和哪些内存块可用。
6. 分配器的实现类是Allocator，它通过调用内存池Arena的alloc方法来分配内存，并通过调用free方法来释放内存。Allocator使用BlockList这个数据结构来跟踪哪些内存块已经分配和哪些内存块可用。当需要分配内存时，Allocator会在BlockList中查找可用的内存块。如果有可用的内存块，它会返回一个指向该内存块的指针。如果没有可用的内存块，它会向操作系统请求更多内存，并将其添加到内存池Arena中。

​ 小结：ClickHouse的内存分配和释放算法的实现流程是基于内存池和分配器实现的，能够高效地管理内存分配和释放，并避免内存泄漏和碎片。

Clickhouse内存分配器的优化

1. 预分配内存：ClickHouse 在启动时会预分配一定数量的内存块，并将它们存储在内存池中。这些内存块可以多次重复使用，而不是每次需要时都向操作系统请求新的内存。这样可以减少内存分配和释放的开销，提高程序的性能。
2. 避免内存碎片：ClickHouse 的内存分配器使用固定大小的内存块，以避免内存碎片。当内存块被释放时，它们可以再次分配给需要相同大小内存块的请求，而不会留下无法使用的小块。
3. 延迟内存释放：ClickHouse 的内存分配器会对内存块的释放进行延迟处理。具体来说，当一个内存块被释放时，它并不会立即被归还给内存池，而是被标记为可回收。这样可以避免频繁的内存分配和释放操作，提高程序的性能。
4. 内存回收：ClickHouse 的内存分配器会定期执行内存回收操作，以清理未使用的内存块，避免内存泄漏和浪费。内存回收的具体实现包括按照内存块大小进行分组回收、使用类似于垃圾回收的算法来释放内存等。
5. 多线程支持：ClickHouse 的内存分配器对多线程的支持非常好，能够避免竞争条件和锁争用的问题。

​ 综上所述，ClickHouse 的内存分配器使用了多种优化技术，包括预分配内存、避免内存碎片、延迟内存释放、内存回收和多线程支持等，以提高性能和可靠性。

总结

总的来说，ClickHouse 内存管理系统负责以有效的方式管理内存资源，将内存分配给系统的正确部分，在不需要时释放内存，并跟踪内存使用情况。

该系统旨在最大限度地减少内存使用量，同时仍提供良好的性能和可扩展性。内存限制、垃圾收集、内存高效数据结构和内存跟踪器组件协同工作，以确保系统有效地使用内存资源并避免内存不足错误。