内存管理基本技术之：边界标记

Posted 2023-02-24 ouyangbuxiu

内存管理基本技术之：边界标记

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@内容摘要：

边界标记用法最初有Knuth提出，在其计算机算法经典著作《计算机程序设计艺术》中有详细叙述。经常被应用在支持合并策略的内存分配器中。@
最容易想象到的原始的内存块：每一块保存一个块头和快尾，为了维护本块与前后快的关系，块头还保存了两个指针分别指向前一块和后一块。如下图：



边界标记1.JPG (15.04 KB)
2007-12-1 14:14




块头的结构定义如下：

其实，头和尾的结构可以是一样的，也就是说块头中的指向前后块的那两个指针是可以省略的。下图省去了块头中前后两个指针，图中绿色的虚线表示，用于将来合并的两块物理是连续的，也就是说第一块的块尾后，紧急这是第一块的块头。

这样一来，头和尾的结构可以定义为：

 

struct  TTailer ...
     size_t size:31;   //本块的大小
     size_t used:1;    //标记下一块是否被使用
;
typedef TTailer THeader;

由于边界标记常用于支持合并策略的分配器中，下面分别描述使用边界标记方法进行分割和合并的过程。
分割过程：
分割前，初始的一大块内存如下图，大小为2*sizeof(THeader)+size。分割后，分割为两个小块，其中第一块大小为sizeof(THeader)+size1，第二块大小为2*sizeof(THeader)+size2，当然分割过程必须保证分割前后的内存块总和是相等的：2*sizeof(THeader)+size = 2*sizeof(THeader)+size1 + 2*sizeof(THeader)+size2。










初始的时候我们向系统申请一个size+2*sizeof(THeader)大小的内存。

 

 

// 常量定义：4K
const  size_t size  =   4 * 1024 ;      

// 向系统申请一块4k+2*sizeof(THeader)bytes内存
void *  raw  =   malloc(size + 2 * sizeof (THeader));

// 初始化，设置该块内存的头和尾
THeader *  header  =  (THeader * )raw;
header -> size  =  size;
header -> used  =   0 ;
TTailer *  tailer  =  (TTailer * )(header  +   sizeof (THeader)  +  header -> size);
tailer -> size  =  header -> size;
tailer -> used  =  header -> used;

 

分割的时候，将大块分割为两小块，其中一块返回给应用满足其分配请求，其中used标志设置为1，另一块保留下来以备满足后续的分配请求.

合并过程：合并的过程正好是分割的反操作，为了说明的完整性，下面给出合并的图例。







合并操作发生在当应用程序释放内存块的时候，先判断被free的块的前一块是否空闲，如果空闲修改前一块得size直接包含刚刚归还的块即可；然后再判断后一块是否空闲，如果空闲再修改前一块size，包含后一块的大小。
       合并操作代码：

 

 

 

void  Merge(THeader *  fisrt, THeader *  second)
...
    //如果合并的两块有一个不是空闲的,啥也不干
    asser(!first->used && !second->used);
    if(!first->used || !second->used)
        return;

    //第一块块头    
    //直接调整前一个空闲块的大小
    first->size += (second->size + 2*sizeof(CFirstFitHeader));
    
         
     //第一块块尾
     TTailer* first_block_tailer =( TTailer*)(first + first->size + second->size + sizeof(THeader) + sizeof(TTailer))
     first_block_tailer->size = first->size;
     
    return;

 

释放操作，注意，这里为了简化描述，没有对是否存在前一块和后一块做校验，实际项目中必须做校验。

很多支持合并的分配器使用边界标记的方式，每一个内存块保留一块头和块尾，当请求的平均大小在10字节的时候，头与尾空间消耗将不能容忍，一个4字节的块头将消耗10%空间，尾也浪费10%空间。

 

 


void   Release( void *  address)
...
    //向后移动一个块头大小
    THeader* header = static_cast<THeader*>(address - sizeof(THeader));
     //将该块设置为空闲,准备与前后空闲块进行合并
    header->used = 0;
     
     //后一块是否空闲
     THeader* mext_block_header = (THeader*)(header + sizeof(THeader) + sizeof(TTailer) + header->size);
     if(mext_block_header->used == 0)
     ...
         Merge(header, mext_block_header);
     

     //前一块是否空闲
     TTailer* prev_block_tailer = (TTailer*)(header - sizeof(TTailer));
     if(prev_block_tailer->used == 0)
     ...
         THeader* prev_block_header = (THeader*)(prev_block_tailer - sizeof(THeader) - sizeof(TTailer) - prev_block_tailer->size);
         Merge(prev_block_header, header);
     

    return;    



 

 


void *  split(THeader *  block, size_t nbytes)
...
     size_t oldsize = block->size;
     if(block->size >= (2*sizeof(THeader) + nbytes))...//将被分割的块大于分割后的大小+块头+快尾
         //从头部分割一块出去
         //设置第一块头
         block->size = nbytes;                       
         block->used = 1;
         //设置第一块尾
         TTailer* first_block_tailer = (TTailer*)(block + sizeof(THeader) + nbytes);
         first_block_tailer->size = nbytes;
         first_block_tailer->used = 1;

         //调整第二块
         //设置第二块头
         THeader* second_block_header = (THeader*)(block + 2*sizeof(THeader) + nbytes);
        second_block_header->size = oldsize - (2*sizeof(THeader) + nbytes);
        second_block_header->used = 0;
         //设置第二块尾
         TTailer* second_block_tailer = (TTailer*)(second_block_header + sizeof(THeader) + second_block_header->size);
        second_block_tailer->size = second_block_header->size;
        second_block_tailer->used = second_block_header->used;
         return (void*)(block + sizeof(THeader));
     

     //内存块不够大，无法分割
    return NULL;


 

 

边界标记4.JPG (18.42 KB)
2007-12-1 14:14

 

 

 

复制内容到剪贴板 struct  TTailer ...
     size_t size:31;   //本块的大小
     size_t used:1;    //标记下一块是否被使用
;

struct  THeader ...
     size_t size:31;   //本块的大小
     size_t used:1;    //标记上一块是否被使用
     TTailer * prev;   //指向前一个块的头
     THeader* next;    //指向下一个块的头
; 作者： [e-mail] 边界标记3.JPG (17.67 KB)
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边界标记2.JPG (18.26 KB)
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