malloc函数的一种简单的原理性实现

发布时间:2014-10-22 14:54:00编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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malloc()是C语言中动态存储管理的一组标准库函数之一。其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为size的连续空间。其参数是一个无符号整形数,返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针 malloc()工作机制   malloc函数的实质体现在,它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时,它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后,将该内存块一分为二(一块的大小与用户请求的大小相等,另一块的大小就是剩下的字节)。接下来,将分配给用户的那块内存传给用户,并将剩下的那块(如果有的话)返回到连接表上。调用free函数时,它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后,空闲链会被切成很多的小内存片段,如果这时用户申请一个大的内存片段,那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是,malloc函数请求延时,并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段,对它们进行整理,将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。  malloc()在操作系统中的实现   在 C 程序中,多次使用malloc () 和 free()。不过,您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示 malloc 和 free 的一个最简化实现的代码,来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。   在大部分操作系统中,内存分配由以下两个简单的函数来处理:   void *malloc (long numbytes):该函数负责分配 numbytes 大小的内存,并返回指向第一个字节的指针。   void free(void *firstbyte):如果给定一个由先前的 malloc 返回的指针,那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。   malloc_init 将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事:将分配程序标识为已经初始化,找到系统中最后一个有效内存地址,然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量:         //清单 1. 我们的简单分配程序的全局变量 int has_initialized = 0; void *managed_memory_start; void *last_valid_address; 如前所述,被映射的内存的边界(最后一个有效地址)常被称为系统中断点或者 当前中断点。在很多 UNIX? 系统中,为了指出当前系统中断点,必须使用 sbrk(0) 函数。 sbrk 根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点,然后返回新的系统中断点。使用参数 0 只是返回当前中断点。这里是我们的 malloc 初始化代码,它将找到当前中断点并初始化我们的变量: 清单 2. 分配程序初始化函数 /* Include the sbrk function */ #include void malloc_init() { /* grab the last valid address from the OS */ last_valid_address = sbrk(0); /* we don''t have any memory to manage yet, so *just set the beginning to be last_valid_address */ managed_memory_start = last_valid_address; /* Okay, we''re initialized and ready to go */ has_initialized = 1; } 现在,为了完全地管理内存,我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了 free 调用之后,我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情,并且,在调用 malloc 时,我们要能够定位未被使用的内存块。因此, malloc 返回的每块内存的起始处首先要有这个结构: //清单 3. 内存控制块结构定义 struct mem_control_block { int is_available; int size; }; 现在,您可能会认为当程序调用 malloc 时这会引发问题 —— 它们如何知道这个结构?答案是它们不必知道;在返回指针之前,我们会将其移动到这个结构之后,把它隐藏起来。这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的内存。那样,从调用程序的角度来看,它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后,当通过 free() 将该指针传递回来时,我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。   在讨论分配内存之前,我们将先讨论释放,因为它更简单。为了释放内存,我们必须要做的惟一一件事情就是,获得我们给出的指针,回退 sizeof(struct mem_control_block) 个字节,并将其标记为可用的。这里是对应的代码: 清单 4. 解除分配函数 void free(void *firstbyte) { struct mem_control_block *mcb; /* Backup from the given pointer to find the * mem_control_block */ mcb = firstbyte - sizeof(struct mem_control_block); /* Mark the block as being available */ mcb->is_available = 1; /* That''s It! We''re done. */ return; } 如您所见,在这个分配程序中,内存的释放使用了一个非常简单的机制,在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码: //清单 5. 主分配程序 void *malloc(long numbytes) { /* Holds where we are looking in memory */ void *current_location; /* This is the same as current_location, but cast to a * memory_control_block */ struct mem_control_block *current_location_mcb; /* This is the memory location we will return. It will * be set to 0 until we find something suitable */ void *memory_location; /* Initialize if we haven''t already done so */ if(! has_initialized) { malloc_init(); } /* The memory we search for has to include the memory * control block, but the users of malloc don''t need * to know this, so we''ll just add it in for them. */ numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block); /* Set memory_location to 0 until we find a suitable * location */ memory_location = 0; /* Begin searching at the start of managed memory */ current_location = managed_memory_start; /* Keep going until we have searched all allocated space */ while(current_location != last_valid_address) { /* current_location and current_location_mcb point * to the same address. However, current_location_mcb * is of the correct type, so we can use it as a struct. * current_location is a void pointer so we can use it * to calculate addresses. */ current_location_mcb = (struct mem_control_block *)current_location; if(current_location_mcb->is_available) { if(current_location_mcb->size >= numbytes) { /* Woohoo! We''ve found an open, * appropriately-size location. */ /* It is no longer available */ current_location_mcb->is_available = 0; /* We own it */ memory_location = current_location; /* Leave the loop */ break; } } /* If we made it here, it''s because the Current memory * block not suitable; move to the next one */ current_location = current_location + current_location_mcb->size; } /* If we still don''t have a valid location, we''ll * have to ask the operating system for more memory */ if(! memory_location) { /* Move the program break numbytes further */ sbrk(numbytes); /* The new memory will be where the last valid * address left off */ memory_location = last_valid_address; /* We''ll move the last valid address forward * numbytes */ last_valid_address = last_valid_address + numbytes; /* We need to initialize the mem_control_block */ current_location_mcb = memory_location; current_location_mcb->is_available = 0; current_location_mcb->size = numbytes; } /* Now, no matter what (well, except for error conditions), * memory_location has the address of the memory, including * the mem_control_block */ /* Move the pointer past the mem_control_block */ memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block); /* Return the pointer */ return memory_location; } 这就是我们的内存管理器。现在,我们只需要构建它,并在程序中使用它即可.多次调用malloc()后空闲内存被切成很多的小内存片段,这就使得用户在申请内存使用时,由于找不到足够大的内存空间,malloc()需要进行内存整理,使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为2的幂的内存块,而最大限度地降低潜在的malloc性能丧失。也就是说,所分配的内存块大小为4字节、8字节、16字节、18446744073709551616字节,等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段(各种尺寸的小片段都有)的数量。尽管看起来这好像浪费了空间,但也容易看出浪费的空间永远不会超过50%。   --------------------------------------------------------------------------------------------- malloc函数  函数声明(函数原型):  void *malloc(int size);  说明:malloc 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C,C++规定,void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。  从函数声明上可以看出。malloc 和 new 至少有两个不同: new 返回指定类型的指针,并且可以自动计算所需要大小。比如:  int *p;  p = new int; //返回类型为int* 类型(整数型指针),分配大小为 sizeof(int);  或:  int* parr;  parr = new int [100]; //返回类型为 int* 类型(整数型指针),分配大小为 sizeof(int) * 100;  而 malloc 则必须由我们计算要字节数,并且在返回后强行转换为实际类型的指针。  int* p;  p = (int *) malloc (sizeof(int));  第一、malloc 函数返回的是 void * 类型,如果你写成:p = malloc (sizeof(int)); 则程序无法通过编译,报错:“不能将 void* 赋值给 int * 类型变量”。所以必须通过 (int *) 来将强制转换。  第二、函数的实参为 sizeof(int) ,用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成:  int* p = (int *) malloc (1);  代码也能通过编译,但事实上只分配了1个字节大小的内存空间,当你往里头存入一个整数,就会有3个字节无家可归,而直接“住进邻居家”!造成的结果是后面的内存中原有数据内容全部被清空。  malloc 也可以达到 new [] 的效果,申请出一段连续的内存,方法无非是指定你所需要内存大小。  比如想分配100个int类型的空间:  int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。  另外有一点不能直接看出的区别是,malloc 只管分配内存,并不能对所得的内存进行初始化,所以得到的一片新内存中,其值将是随机的。  除了分配及最后释放的方法不一样以外,通过malloc或new得到指针,在其它操作上保持一致。


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