CSAPP阅读笔记-虚拟内存-动态内存分配-来自第九章9.9-9.11的笔记-P587-P614
动态内存分配
前几节讲过，加载程序时，bss区域是映射到匿名文件的，其大小包含在目标文件中，堆和栈也是映射到二进制0的，但初始长度为0。类似于栈指针，也有堆指针，brk，指向堆顶，由内核维护，堆向上(高地址)增长，栈向下(低地址)增长。
动态内存分配主要针对堆操作，会把堆看作许多个块来维护，将空闲的块分配给需要的应用程序，已分配的块需要程序显式执行释放(如free)，或利用垃圾收集机制隐式释放。那为什么需要动态内存分配呢？因为有些时候需要在程序运行时才能决定要申请的内存空间的大小，比如根据输入创建，程序加载并刚开始运行时，堆大小为0，此时堆大小可以随运行时的动态内存分配而改变。
介绍一下malloc函数：
其参数为需要申请的内存字节数，返回值为指向分配的内存块的指针。注意申请到内存块大小的不一定就等于需要的字节数，由于有对齐需求，可能会得到更大一些的内存块，申请失败返回NULL并设置errno。malloc不初始化返回的内存，要初始化为0可以用类似的函数calloc，此外有个realloc函数可以改变一个已分配块的大小。
可以看到，malloc实际就是返回一部分的块的指针给申请的应用程序，同时修改堆的大小，因此底层的实现应该涉及到堆指针brk。那么有什么函数能操控堆指针呢？
答案是 void *sbrk(intptr_t incr)，此函数将堆指针增加incr，返回brk的旧值，失败返回-1并设置errno，incr为正则是扩展堆，为负则是收缩堆。
碎片
动态内存分配容易出现一种问题，就是明明仍有足够的内存，却无法满足分配请求，这是由“碎片”导致的。碎片分内部碎片和外部碎片，前者引发原因就是之前说的，当申请一块指定大小的内存时，由于一些原因，比如对齐要求，会分配比申请大小更大的内存，这就是内部碎片。外部碎片则是当空闲内存合起来能满足分配要求，但任一单一的空闲内存块都比需求的内存小时，引发的。
隐式空闲链表
一个好的动态内存分配器，必须能解决之前提到的种种问题，比如如何记录空闲块？如何选择合适的空闲块并进行分配？当空闲块比申请空间大很多时，如何处理剩余部分？当一个已分配块被释放时，如何将它与周围的空闲块合并？
要解决这些问题，需要为每个块设计合理的数据结构，比如最简单的一种：隐式空闲链表，如下图所示：
此时，一个块分三个部分，首先是一个8字节(双字)的头部，头部会记录整个块(包括头部，有效载荷和填充)的大小，之所以用了8字节是因为我们这里采用了双字对齐要求，此外，由于双字对齐要求，所以整个块的大小一定是8字节的倍数，因此最低3位一定是0，为了更好地利用低3位，可以用它来标记当前块是已分配块还是空闲块，这里采用最低位作为已分配位。
举个例子，有一个已分配的块，其大小为24字节，则头部为0x00000018 | 0x1 = 0x00000019
有效载荷就是分配块中用来给应用程序使用的空间，填充可以用来对付外部碎片或满足对齐要求。
当要响应申请内存的请求时，分配器会遍历此链表，找到大小合适的空闲块并进行分配，直到遍历到一个含有特殊标记的结束块，这里对结束块的定义是头部记录的块大小为0，且设置了已分配位的块。之所以称其为隐式空闲链表，是因为它里面没放指针，我们仅仅通过头部就可以知道这个块的大小，从而找到下一个块，这种数据结构的缺点是每次分配都要重新遍历链表，花费的时间与块的总数线性相关。
看个案例：
这题的主要知识点是双字对齐，以malloc(1)为例，头部占4字节，申请1字节空间，为了满足双字对齐，会分配8字节空间，所以块大小为8字节，块头部为0x8 | 0x1 = 0x9，后面的分析方法类似，看书后答案即可。
具体设计动态分配器时要考虑以下几点细节：
那么遍历并找到了合适大小的空闲块后该怎么办呢？
有几种适配策略：首次适配，下一次适配和最佳适配，这个比较好理解，看书即可。
那么确定了适配的空闲块后，如何分配内存？
可以整个空闲块分配出去，也可以选择分割，通常会选择后者，即把一个大的空闲块分成两个小的，一个分配出去，剩下一个小的空闲块。
如果空闲块不够，怎么办？
可以合并相邻的空闲块创建更大的空闲块，若仍无法满足要求，可以调用之前提到的sbrk函数，向内核请求额外的堆内存，申请的内存被放到空闲链表的末尾，随后将其中的块分配出去。
何时合并空闲块？
两种方案，一是在每个块被释放时，合并所有相邻空闲块，二是推迟合并，直到某个分配请求失败，再扫描整个堆，合并空闲块。立即合并可能会导致抖动现象，比如先申请某个大小的块，导致了对某个空闲块的分隔，随后又释放它，导致了合并，随后又申请同样大小的块，又导致分割，马上又释放，导致合并。。。如此往复，会产生大量不必要的分割与合并。
如何实现合并空闲块？
合并空闲块面临的最大问题是如何合并当前释放块前面的空闲块，因为合并的时候需要将两个块的大小相加并赋给新的块，假如传递一个指针进来，指向要释放的块，此时没有办法得到前面那个块的头部信息。一种解决办法是搜索整个链表，记住前面块的位置，直到抵达当前块，但这太蠢了。。。
一种更好的办法是“边界标记”，即在块的结尾处添加一个“脚部”，它是头部的一个副本，如下图：
这样，当指针指向被释放块的头部时，我们可以通过减一个字(4字节)的距离，将指针指向上一个块的脚部，此时若从脚部读出此块是空闲块，则可根据从脚部独处的大小移到此块的头部进行修改。
合并分四种情况：
四种情况图中已经标得很明白，需要注意的是合并的同时要修改新块的头部和脚部。
举个例子：
这个例子和上面那个基本一样的思路，只不过现在多了个脚部，比如分析一下第3个，双字对齐要求下，已分配的块头部和脚部，需要4+4=8个字节，又因为是已分配的，所以申请的空间至少1字节，又因为双字对齐要求，因此已分配块的最小块大小为4+4+8=16个字节，空闲块未分配字节，最小为4+4=8字节，而一个块在不同时候可以被分配和释放，因此最小块大小要同时满足两种形态下的最小块要求，因此总最小块为16字节。其余的分析类似，不再列举。
简单分配器的实现
上面介绍了具体设计动态分配器时要考虑几点细节，下面根据这些细节，看一下一个简单分配器具体实现：
先介绍memlib.c包提供的两个工具函数：
其中，mem_init函数负责用malloc将所有可用的虚拟内存化为大的字节数组，注意，这并不是把它变成了堆的空间，malloc分配时是利用分配器向堆申请空间的。mem_sbrk函数与之前提到的sbrk系统函数功能基本一致，只是多了个incr的判定，去掉了收缩堆的功能。
随后介绍一下隐式空闲链表组织形式：
图中每个方框代表一个4字节的字，第一个字是不使用的填充字，随后有一个序言块，8/1代表块总大小为8字节，且是已分配的，很明显，序言块是有头部与脚部的，且没有申请任何字节，它在初始化时被创建，永不释放。后面的普通块，hdr代表头部，ftr代表尾部，最后以一个块大小为0，已分配的块作为结尾块，它只有一个头部，初始时分配器会让一个指针heap_listp指向序言块(不是序言块的头部)。
再介绍一下要用到的宏与参数：
WSIZE和DSIZE定义了字和双字的大小，CHUNKSIZE定义了初始空闲块的大小扩展堆时的默认大小，这里是212=4KB
重点是几个工具宏：
PACK:用于返回头部信息，传入块大小和已分配位，返回的值就是用来存在头部和脚部中的信息
GET:传入一个指针p，返回的是该指针指向的4个字节的unsigned int值，这里用unsigned int*作转换，明显是为了获取块的大小用的，当传入的指针指向块的头部时，可以用GET获取头部存储的块的大小和分配位信息。
PUT:与GET相反，传入一个指针p和一个值val，把val存放在p指向的4个字节中。
GET_SIZE: 显然它负责把GET取出的4字节的字的低3位置0，可以用于从头部/脚部取出块的大小和分配位信息后进一步提取出其中的块大小信息。
GET_ALLOC: 类似GET_SIZE,不过这里提取的是最后一位的分配位信息。
HDRP: 它可以根据传入的指向块的指针，找到相应的指向头部的指针。(注意，这里的指向块是指向该块头部后的起始地的，就如指向序言块的heap_listp指针那样，显然，块指针和头部指针就相差一个字的距离)
FRTP: 它可以根据传入的指向块的指针，找到相应的指向脚部的指针，实现的思路是：先利用GET_SIZE得到该块的大小，当前块指针加上它就会指向下一个块的块指针，它和上一个块的脚部差了一个头部(4字节)和一个脚部(4字节)，所以减1个双字的大小即可指向当前块的脚部。
NEXT_BLKP：它可以得到下一个块的块指针，具体不再分析。
PREV_BLKP：它可以得到前一个块的块指针，具体不再分析。
下面实现分配器的基本功能，实现的时候要注意，完成之前细节讨论中要注意的地方。
首先是对分配器的初始化，具体任务是创建新的空闲链表。
具体操作手法：先使堆扩大4个字的空间(注意一开始堆大小为0)，随后如9-42的图所示，先设置一个字的填充块，随后是序言块的头部和脚部，随后是结束块，设置完后将heap_listp指向图中所示的序言块的头部后起始的地方(这里因为序言块申请字节为0，所以相当于指向脚部)。最后要进一步扩大堆的空间，扩大的堆空间被标记为空闲块，这由extend_heap函数完成，其实现如下图所示：
extend_heap函数功能就是为堆申请指定大小的新空间，它会将传入的大小进行双字对齐，并进行扩展，扩展后返回块指针，指针指向的空间已经被扩展了，它是跟在结尾块的后面的，因此结尾块不再是结尾块，需要将它变成新空闲块的头部，同理要将扩展空间的最后一个字设置为结尾块，相当于做了一个挪移效果，这几步在第12-14行被设置完成，很有意思。最后的coalesce函数负责合并空闲块，它的实现如下图所示：
它对应处理的是之前图中展示的4种合并情况，这里不再具体解释。
实际供外部调用的分配函数是mm_malloc，如下图所示：
首先主程序里调用之前说的mm_init函数，来将堆进行基本的扩展，并创建必要的结构块，如序言块，结尾块，以及基本的空闲块，当需要申请分配空间时，调用mm_malloc函数，它会先检测请求的块的大小，使之满足双字对齐条件，随后搜索堆中的空闲链表，找到合适的空闲块进行放置并进行合理的分割，最后返回新分配块的地址。如果没找到合适的空闲块，说明向堆申请空间时，堆的空间已经无法满足要求了，此时需要用之前的扩展堆的函数，对堆进行扩展，将请求的块放置在堆扩展后的块中。
放置和寻找匹配块的函数如下图所示：
寻找匹配块的策略比较简单，只要该空闲块的大小大于申请的空间大小即可，放置采用首次匹配的策略，需要注意的是，这里要判断放置后剩余的块大小是否大于最小块大小(这里因为有头部和脚部，最小块大小为双字，即8字节)，不是则直接放置，是则需要进行分割，分割只要多造出一个头部和脚部即可。
最后是释放已分配的块的功能的实现，如下图所示：
只需把对应的块的头部和脚部标为空闲，随后进行合并即可。
后面的显式空闲链表及垃圾收集机制讲得太少，不记录了，下次参考了其它资料专门作专题记录吧。
最后是一些C程序里的常见的和内存有关的错误：
大部分已经知道了，没什么记录意义，有两个有点意思，记录一下：
1.引用不存在的变量：
这段代码返回了局部变量的地址，还记得第三章讲述的吗？因为在代码中用到了val的地址，所以val不会被放在寄存器里，而是会放在栈上，此时函数执行结束后，返回的地址虽然是合法的，但可能会有这样一种情况：程序调用了其它函数，并再次用了栈帧，这样，这个地址指向的数据是属于其它函数的数据，而后面当我们对这个地址的内容进行修改时，会直接改掉其它函数中的数据，会带来麻烦的后果。
2.引用空闲堆块中的数据：
这里向堆申请的块已经被释放了，然而我们后面又引用了指向这个块的指针，对其指向的内容修改，从之前的讲述中我们知道，被释放的块是空闲块，会再次被分配给其它的向堆申请块的程序，这时候修改显然会影响到那个程序。
这个错误本质和上面那个是一样的，只不过一个发生在栈中，一个发生在堆中，所以当初学C语言的时候，书里经常会讲，当我们用free释放某个块时，还需要把对应的指向块的指针设为null，当时的理由是防止出现野指针，实质就是上面讲述的问题。
