SGI Allocator内存管理

Posted 2022-12-06 printfnothing

接上一篇博文继续讲。

我们来看第二级配置器__default_alloc_template.

先看它有哪些成员（代码参考自《STL源码剖析》）：

template<bool threads,int inst>
class __default_alloc_template
private:
  /*将bytes上调至__ALIGN（默认为8）的倍数*/
  static size_t ROUND_UP(size_t bytes)
return ((bytes+__ALIGN-1)&~(__ALIGN-1));

  /*管理的内存块*/
  union obj
union obj* free_list_link;  
char client_data[1];
  
  static obj* volatile free_list[__NFREELISTS];  //空闲内存链表
  /*根据bytes大小定位到free_list*/
  static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes)  
    return ((bytes+__ALIGN-1)/__ALIGN-1);
  
  /*返回一个大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到free_list相应位置*/
  static void*refill(size_t n);
  /*从内存池或者系统申请nobjs个大小为size的内存块*/
  static char*chunk_alloc(size_t size,int &nobjs);
  
  static char*start_free;  //内存池起始位置
  static char*end_free;  //内存池结束位置
  static size_t heap_size;  //内存池总内存大小

public:
  static void*allocate(size_t);  //分配内存
  static void deallocate(void*,size_t);  //回收内存
  static void*reallocate(void*,size_t,size_t);  //重配置内存

与第一级配置器相比，__default_alloc_template的内存管理更为复杂。

策略：

1.__default_alloc_template只管理一定大小的内存块（__MAX_BYTES默认为128B），当用户程序向它申请、释放或者重配置超过该大小的内存时，__default_alloc_template的相关成员函数会调用第一级配置器的相关成员函数进行处理。

这里要提一下union obj这个指向内存块的联合体，刚开始读源码的时候，我一直迷惑不解这个联合体是如何指向不同大小的内存块的。起初我以为obj就是用来分配的内存，后来发现不对，按照obj的定义，它包含一个obj*指针和一个包含一个字符的字符数组，根据联合体的性质，sizeof(obj) = 4,如果obj就是分配给用户的内存，那obj只有4B这么大。我又仔细读了一遍书上关于obj的说明：

由于union之故，从其第一字段观之，obj可视为一个指针，指向相同形式的另一个obj；从第二个字段观之，obj可被视为一个指针，指向实际区块。

从书上这句话来看，obj应该被当作指向一块实际内存的指针，再结合obj的目的（减少额外内存开销）obj实际作用应该是当某块内存处于free_list中时，obj中的free_list_link起作用——链接下一块obj，当该内存分配出去，即从free_list删除后obj中的client_data起作用，指向该块内存。所以最后一个问题，client_data如何起到作用？由于书上没有给出obj具体使用实例，这里我补充一个：

union obj* ob = (union obj*)::operator new(100);
cout<<"(*ob)'s address:"<<ob<<endl;
cout<<"ob->client_data:"<<(void*)ob->client_data<<endl;

现在很清楚了，obj存放某一块内存的首地址，由于union之故，该内存首址即client_data数组的首地址，所以client_data可以指向不同大小的内存。（ob=&obj=client_data）

2.__default_alloc_template如何管理小于128B的内存块？

以内存分配为例：

1)调用allocate(n)进行内存分配；

2)n>__MAX_BYTES,调用一级配置器进行分配：

if(n>__MAX_BYTES)

  return(malloc_alloc::allocate(n));

3)否则，从free_list相应位置找到一块内存返回：

  my_free_list = free_list+FREELIST_INDEX(n);

  result = *my_free_list;

到了这一步可能会出现问题，上一篇博文讲到SGI空间配置器要解决内存不够用的问题。内存不足表现在两个方面：

(1)    用户程序向free_list申请内存时，free_list内存不足；

(2)    free_list向内存池__default_alloc_template申请内存时，__default_alloc_template内存不足。

 

4)先看__default_alloc_template如何解决问题(1)：

如果result!=0,即free_list有相应大小的内存块可以分配，则将内存块从free_list中直接删除，并返回result；

否则，allocate函数转而调用refill函数，refill函数的功能是free_list向内存池剩余空间申请若干块相同大小的内存块并挂载到free_list相应位置。

refill函数部分代码如下（具体代码见《STL源码剖析》）：

void* refill(size_t n)

int nobjs = 20;  //默认向内存池申请20个大小为n B的内存块
char* chunk = chunk_alloc(n,nobjs);  //向内存池申请nobjs块大小为n B的内存块，也有可//能申请到小于nobjs块，具体见后面chunk_alloc函//数介绍
……
if(1==nobjs) return chunk;    //如果只申请到一块n B大小的内存，则直接返回该内存
…..
/*如果申请到的内存块多余一块，则将除第一块以外的所有内存块链接到free_list相应
位置上*/
result =(obj*)chunk;
……
for(i=1;;i++)

  /*将各个内存块串连起来*/

…
return result;  //返回第一块内存

5)最后看free_list向内存池申请内存的函数chunk_alloc:

char* chunk_alloc(size_t size,int&nobjs)

char* result;
size_t total_bytes = size*nobjs;
size_t bytes_left = end_free-start_free;   //内存池剩余空间
/*内存池内存充足*/
if(bytes_left>=total_bytes)

result = start_free;
start_free +=total_bytes;
return result;

/*内存池内存不够分配size*nobjs大小内存，但是至少可以分配一块size大小的内存*/
 else if(bytes_left>=size)

  nobjs = bytes_left/size;      //nobjs变为实际分配的size大小内存块的块数
  total_bytes = size*nobjs;
  result = start_free;
  start_free +=total_bytes;
  return result;

/*内存池剩余空间不足size*/
else

  /*计算内存池需要向系统申请多少内存*/
  size_t bytes_to_get = 2*total_bytes+ROUND_UP(heap_size>>4);

  /*如果内存池还有不足size的剩余空间*/
  if(bytes_left>0)
  
/*将内存池这些剩余内存全部分配给free_list，这步操作完成后，内存池已无内存可用*/

/*此时内存池需要补充新鲜血液，要向系统申请内存*/
start_free = (char*)malloc(bytes_to_get);
/*如果系统也没有充足的内存*/
if(start_free==0)

……
/*此时要从掌管size大小的free_list开始往后遍历一遍free_list*/
for(i =size;i<=__Max_BYTES;i+=__ALIGN)

….
/*如果某一free_list上有空闲内存，则将其交还给内存池，然后再递归调用此函数，分配内存，修正nobjs*/
….
return chunk_alloc(size,nobjs);

        /*到了这一步，无论是内存池还是free_list还是系统都没有大于等于size的内存块可用，那么只好请求第一级配置支援咯*/
       end_free = 0;
       start_free = (char*)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);

/*系统分配内存池以bytes_to_get大小的内存块，内存池修改相关数据，然后递归调用chunk_alloc*/
heap_size +=byte_to_get;
end_free = start_free+bytes_to_get;
return chunk_alloc(size,nobjs);

总结起来，chunk_alloc函数目的就是从__default_alloc_template或者它的free_list或者第一级配置器或者系统堆中至少找到一块满足size大小的内存块交给refill，否则抛出异常。

至此，SGI两级空间配置器空间管理策略介绍完了，感叹下，STL博大精深，一个空间配置器都写的如此精髓，看来学习还要加把劲了。