一个简单的内存分配器-《深入理解计算机操作系统》

Posted 2020-12-27 月光下的脚步

　　我相信很多人都知道《深入理解计算机操作系统》这本书，并且很多人都会对它研读。实际本人刚开始看的时候，只是加深了对操作系统的理解，别的到是没有感觉的到，

但是在看到公司的软件框架里面对于内存堆的管理，才发现和书上讲的异曲同工。于是乎，自己对利用隐式的空闲链表实现分配器做了总结，并且和自己想到的架构做了对比分析。

　　我们知道一个实际的分配器，不仅要考虑好吞吐率和内存利用率之间的平衡，还要考虑：

　　①空闲块组织：我们如何记录空闲块（一般刚开始会把一整段堆当做空闲块，然后再分割）

　　②放置：我们如何选择一个合适的空闲块来放置一个新分配的块？

　　③分割：在一个空闲块里面放置一个块后，剩余的空闲部分怎么处理？

　　④合并：我们如何处理刚刚释放的块？假如有两个块都是空闲的，需要合并吗 ？

　　管理：于是书中定义一个数据结构来区分块边界，用来记录空闲块，这个数据结构是：

     

块大小包括头、有效负荷和填充部分，这样就可以记录出空闲和以分配的块，对应的隐式空闲链表如下图所示：

　　放置和分割：假如我们想要放置已经分配块时，分配器会搜索链表，寻求一个足够大的空闲块来放置，有首次放配的策略、下一次分配的策略和最佳适配的策略，为了方便起见，我们将使用首次分配，从堆头开始搜索空闲链表，选择第一个合适的空闲块，这样的优点是趋向于将大的空闲块放在最后，缺点是开始的地方有小空闲块的“碎片”。当你找到一个匹配的空闲块时，你要做决定是否需要分割，这样的话第一部分变成分配块，而剩下的部分还为空闲块，如下图所示：

　　合并：合并的问题最需要考虑的，当分配器释放一个分配块时，假如其他的空闲块于之相连，这个时候需要合并，我们假设是立即合并（实际快速的分配器不会是立即合并，会选择推迟合并）。如果是下一个块时空闲块，可以让释放掉的空闲块的头部，加上块大小，指向下一个块，然后读出下一个块的大小，就将它的大小简单的加到当前块头部的大小上。但是如果是前面的块时空闲块的话，就需要搜索整个链表，记录前面的块再进行合并，这样free需要的时间与堆的大小成线性关系，对于吞吐率是有很大的影响，这个时候Knuth记录提出了边界标记（boundary tag),在脚部添加一个头部的副本，这个脚部总是在距当前块开始位置一个字的距离。实际这样是牺牲了内存来实现吞吐率的。

   当然了，为了我们结构的可读性更好，我们可以定义一个头部结构体，不用放脚部标记了

   typedef struct

　{

　　size_t sec_size;//块的大小，用于比较和申请内存的块，找到能放的下的空闲块（在已经分配的块上，这个值一般等于alloc_size)

       size alloc_size;//有效负载的大小，由于知道结构体的大小，相当于上文中知道了块大小

       size_t prev_sec_addr;//上一个块的起始地址，是从头部开始，用于和前合并

   }