如何实现一个malloc

Question

如题所述

Answer 1

　　在实现malloc之前，先要相对正式地对malloc做一个定义。

　　根据标准C库函数的定义，malloc具有如下原型：

void* malloc(size_t size);

　　这个函数要实现的功能是在系统中分配一段连续的可用的内存，具体有如下要求：

malloc分配的内存大小至少为size参数所指定的字节数

malloc的返回值是一个指针，指向一段可用内存的起始地址

多次调用malloc所分配的地址不能有重叠部分，除非某次malloc所分配的地址被释放掉

malloc应该尽快完成内存分配并返回（不能使用NP-hard的内存分配算法）

实现malloc时应同时实现内存大小调整和内存释放函数（即realloc和free）

　　对于malloc更多的说明可以在命令行中键入以下命令查看：

man malloc

　　首先我们要确定所采用的数据结构。一个简单可行方案是将堆内存空间以块（Block）的形式组织起来，每个块由meta区和数据区组成，meta区记录数据块的元信息（数据区大小、空闲标志位、指针等等），数据区是真实分配的内存区域，并且数据区的第一个字节地址即为malloc返回的地址。

　　可以用如下结构体定义一个block：

typedef struct s_block *t_block;
struct s_block {
size_t size; /* 数据区大小 */
t_block next; /* 指向下个块的指针 */
int free; /* 是否是空闲块 */
int padding; /* 填充4字节，保证meta块长度为8的倍数 */
char data[1] /* 这是一个虚拟字段，表示数据块的第一个字节，长度不应计入meta */
};

　　由于我们只考虑64位机器，为了方便，我们在结构体最后填充一个int，使得结构体本身的长度为8的倍数，以便内存对齐。示意图如下：

　　现在考虑如何在block链中查找合适的block。一般来说有两种查找算法：

First fit：从头开始，使用第一个数据区大小大于要求size的块所谓此次分配的块

Best fit：从头开始，遍历所有块，使用数据区大小大于size且差值最小的块作为此次分配的块

　　两种方法各有千秋，best fit具有较高的内存使用率（payload较高），而first fit具有更好的运行效率。这里我们采用first fit算法。

/* First fit */
t_block find_block(t_block *last, size_t size) {
t_block b = first_block;
while(b && !(b->free && b->size >= size)) {
*last = b;
b = b->next;
}
return b;
}

　　find_block从frist_block开始，查找第一个符合要求的block并返回block起始地址，如果找不到这返回NULL。这里在遍历时会更新一个叫last的指针，这个指针始终指向当前遍历的block。这是为了如果找不到合适的block而开辟新block使用的，具体会在接下来的一节用到。

　　如果现有block都不能满足size的要求，则需要在链表最后开辟一个新的block。这里关键是如何只使用sbrk创建一个struct：

#define BLOCK_SIZE 24 /* 由于存在虚拟的data字段，sizeof不能正确计算meta长度，这里手工设置 */

t_block extend_heap(t_block last, size_t s) {
t_block b;
b = sbrk(0);
if(sbrk(BLOCK_SIZE + s) == (void *)-1)
return NULL;
b->size = s;
b->next = NULL;
if(last)
last->next = b;
b->free = 0;
return b;
}

　　First fit有一个比较致命的缺点，就是可能会让很小的size占据很大的一块block，此时，为了提高payload，应该在剩余数据区足够大的情况下，将其分裂为一个新的block，示意如下：

　　实现代码：

void split_block(t_block b, size_t s) {
t_block new;
new = b->data + s;
new->size = b->size - s - BLOCK_SIZE ;
new->next = b->next;
new->free = 1;
b->size = s;
b->next = new;
}

　　有了上面的代码，我们可以利用它们整合成一个简单但初步可用的malloc。注意首先我们要定义个block链表的头first_block，初始化为NULL；另外，我们需要剩余空间至少有BLOCK_SIZE + 8才执行分裂操作。

　　由于我们希望malloc分配的数据区是按8字节对齐，所以在size不为8的倍数时，我们需要将size调整为大于size的最小的8的倍数：

size_t align8(size_t s) {
if(s & 0x7 == 0)
return s;
return ((s >> 3) + 1) << 3;
}
#define BLOCK_SIZE 24
void *first_block=NULL;

/* other functions... */

void *malloc(size_t size) {
t_block b, last;
size_t s;
/* 对齐地址 */
s = align8(size);
if(first_block) {
/* 查找合适的block */
last = first_block;
b = find_block(&last, s);
if(b) {
/* 如果可以，则分裂 */
if ((b->size - s) >= ( BLOCK_SIZE + 8))
split_block(b, s);
b->free = 0;
} else {
/* 没有合适的block，开辟一个新的 */
b = extend_heap(last, s);
if(!b)
return NULL;
}
} else {
b = extend_heap(NULL, s);
if(!b)
return NULL;
first_block = b;
}
return b->data;
}