操作系统实现：malloc 与堆实现

本文参考书：操作系统真像还原

什么是malloc？

malloc 是用户态申请内存时使用的函数。

malloc在哪里申请？

堆中。

什么是堆？

程序运行过程中需要申请额外的内存都会在堆中分配，堆中的内存分为几个规格类型的块用链表保存，程序需要内存就分配一个大于等于所需内存大小的块。如果一个规格的块用完了就像系统申请页，再将页切分成规格块的大小一个一个用链表链接起来。

如何找到堆？

一般堆在进程pcb处有指针，内核的堆可以是一个全局变量。

由以上几个问题我们可以知道，只要先搞定堆后，malloc的作用就是在堆中拿个内存块就好啦。

堆的结构图

堆的核心结构是个数组u_block_desc 代表用户堆，放在进程pcb中。数组的每个元素mem_block_desc 代表不同类型的内存块大小，每个内存块用链表链接。

几个重要数据结构，下面会进行解释

/* 内存块 */
struct mem_block {
   struct list_elem free_elem;
};

/* 内存块描述符 */
struct mem_block_desc {
   uint32_t block_size;         // 内存块大小
   uint32_t blocks_per_arena;     // 本arena中可容纳此mem_block的数量.
   struct list free_list;     // 目前可用的mem_block链表
};

/* 内存仓库arena元信息 */
struct arena {
   struct mem_block_desc* desc;     // 此arena关联的mem_block_desc
/* large为ture时,cnt表示的是页框数。
 * 否则cnt表示空闲mem_block数量 */
   uint32_t cnt;
   bool large;       
}；

mem_block_desc 就是内存块的信息，记录着内存块大小和链表

arena就是分配的页，arena中内存块切割大小由desc指定，如果所需内存块过大，就不进行切割直接分配页框，也就是large的作用。

内存分配过程如下

① 向堆申请可用内存时，没有在所要用到的mem_block_desc下面找到可用内存块。向操作系统申请4K的页，每个页就是一个arena。

②对arena进行切分，分为所需mem_block_desc的大小，并且一个一个加入到mem_block_desc的链表中

③从链表上拿到一个内存块并返回内存地址

 1 void* sys_malloc(uint32_t size) {
 2    enum pool_flags PF;
 3    struct pool* mem_pool;
 4    uint32_t pool_size;
 5    struct mem_block_desc* descs;
 6    struct task_struct* cur_thread = running_thread();
 7 
 8 /* 判断用哪个内存池，内核也要从内核内存池申请页*/
 9    if (cur_thread->pgdir == NULL) {     // 若为内核线程
10       PF = PF_KERNEL; 
11       pool_size = kernel_pool.pool_size;
12       mem_pool = &kernel_pool;
13       descs = k_block_descs;
14    } else {                      // 用户进程pcb中的pgdir会在为其分配页表时创建
15       PF = PF_USER;
16       pool_size = user_pool.pool_size;
17       mem_pool = &user_pool;
18       descs = cur_thread->u_block_desc;
19    }
20 
21    /* 若申请的内存不在内存池容量范围内则直接返回NULL */
22    if (!(size > 0 && size < pool_size)) {
23       return NULL;
24    }
25    struct arena* a;
26    struct mem_block* b;    
27    lock_acquire(&mem_pool->lock);
28 
29 /* 超过最大内存块1024, 就分配页框 */
30    if (size > 1024) {
31       uint32_t page_cnt = DIV_ROUND_UP(size + sizeof(struct arena), PG_SIZE);    // 向上取整需要的页框数
32 
33       a = malloc_page(PF, page_cnt);
34 
35       if (a != NULL) {
36      memset(a, 0, page_cnt * PG_SIZE);     // 将分配的内存清0  
37 
38       /* 对于分配的大块页框,将desc置为NULL, cnt置为页框数,large置为true */
39      a->desc = NULL;
40      a->cnt = page_cnt;
41      a->large = true;
42      lock_release(&mem_pool->lock);
43      return (void*)(a + 1);         // 跨过arena大小，把剩下的内存返回
44       } else { 
45      lock_release(&mem_pool->lock);
46      return NULL; 
47       }
48    } else {    // 若申请的内存小于等于1024,可在各种规格的mem_block_desc中去适配
49       uint8_t desc_idx;
50       
51       /* 从内存块描述符中匹配合适的内存块规格 */
52       for (desc_idx = 0; desc_idx < DESC_CNT; desc_idx++) {
53      if (size <= descs[desc_idx].block_size) {  // 从小往大后,找到后退出
54         break;
55      }
56       }
57 
58    /* 若mem_block_desc的free_list中已经没有可用的mem_block,
59     * 就创建新的arena提供mem_block */
60       if (list_empty(&descs[desc_idx].free_list)) {
61      a = malloc_page(PF, 1);       // 分配1页框做为arena
62      if (a == NULL) {
63         lock_release(&mem_pool->lock);
64         return NULL;
65      }
66      memset(a, 0, PG_SIZE);  //清空页数据
67 
68     /* 对于分配的小块内存,将desc置为相应内存块描述符, 
69      * cnt置为此arena可用的内存块数,large置为false */
70      a->desc = &descs[desc_idx];
71      a->large = false;
72      a->cnt = descs[desc_idx].blocks_per_arena;
73      uint32_t block_idx;
74 
75      enum intr_status old_status = intr_disable();
76 
77      /* 开始将arena拆分成内存块,并添加到内存块描述符的free_list中 */
78      for (block_idx = 0; block_idx < descs[desc_idx].blocks_per_arena; block_idx++) {
79         b = arena2block(a, block_idx);
80         ASSERT(!elem_find(&a->desc->free_list, &b->free_elem));
81         list_append(&a->desc->free_list, &b->free_elem);    
82      }
83      intr_set_status(old_status);
84       }    
85 
86    /* 开始分配内存块 */
87       b = elem2entry(struct mem_block, free_elem, list_pop(&(descs[desc_idx].free_list)));
88       memset(b, 0, descs[desc_idx].block_size);
89 
90       a = block2arena(b);  // 获取内存块b所在的arena
91       a->cnt--;           // 将此arena中的空闲内存块数减1
92       lock_release(&mem_pool->lock);
93       return (void*)b;
94    }
95 }