CMU15213 笔记：malloc

CMU15213 笔记：malloc

CS15-213 lab notes

动态内存分配

如图所示进程的虚拟内存区域，内核维护着一个变量 brk，它指向堆的顶部。

malloc 和 free 函数

在 32 位机中，malloc 返回的块的地址总是 8 的倍数，在 64 位机中，该地址总是 16 的倍数。

为了实现动态的内存分配，可以使用 sbrk 函数。

释放内存空间的 free 函数。

碎片

内部碎片是指：内部碎片就是已分配块大小和它们的有效载荷大小之差的和，在任意时刻，内部碎片的数量只取决于以前请求的模式和分配器的实现方式。

外部碎片是指：是当空闲内存合计起来足够满足一个分配请求，但是没有一个单独的空闲块足够大可以来处理这个请求时发生的。

涉及的问题

需要处理以下问题：

隐式空闲链表

定义块的数据结构：

这里需要注意的是，malloc 的返回值为有效载荷的开始处，而不是块的开始处。

8 字节对齐的地址特征，其地址数值的 16 进制表示的最后一个字符为 0。

以 8 字节对齐，可以使对 long，double 进行操作时，不会产生 bus error。

malloc is supposed to return a pointer “which is suitably aligned for any built-in type”.

由于 8 字节对齐，块大小的最低 3 位总是零。因此寻址块，只需要高 29 位，剩余的 3 位可以用来编码其他信息。所以有如下所示的头部信息：

隐式空闲链表结构

如下图所示：

之所以称之为隐式空闲链表，是因为空闲块是通过头部中的大小字段隐含地连接着地。分配器可以通过遍历堆中的所有地块，从而间接地遍历整个空闲块地集合。通过设置一个已分配位而大小为 0 的终止头部。来作为结束标记。

优缺点

隐式空闲链表的实现简单，显著的缺点是，任何操作的开销都要对，空闲链表进行搜索，该搜索所需时间与堆中已分配块和空闲块的总数呈线性关系。

合并空闲块

如图所示，当申请一个 4 字的有效载荷时，并不能申请到，因为单独每个空闲块，只有 3 个多的字可以使用（因为块头部需要使用一些空间），虽然相邻的块合计大小是大于 4 字的：

当分配器释放一个已分配的块时，可能其他空闲块与这个新释放的空闲块相邻，这些邻接的空闲块可能引起一种现象，叫做假碎片。就是有许多可用的空闲块被切割成为小的，无法使用的空闲块。

带边界标记的合并

这个脚部总是在距离当前块起始位置一个字的距离，由于每个块都要有 header 和 footer，所以当分配的都是小块时，会很浪费空间。如下图所示的优化方法：

也就是在如下图所示的情况下：

将 m1 块的 footer 的已分配/空闲块的信息，放在 n 块的多余的空闲位中。

代码

定义一些必要的宏函数，从课本上抄下来，如下所示：

最后需要实现的是 find_fit 函数和 place 函数，如下所示：

测试结果

使用隐式链表法

得到如下结果：

Reference

• https://danluu.com/malloc-tutorial/
• http://doraemonzzz.com/2021/09/15/2021-9-15-CMU-15-213-Lab6-Malloc-Lab/#准备工作