SHMALL：一个简单易懂的堆内存分配器

原创于 2024-05-16 10:04:24 发布 · 367 阅读

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SHMALL：一个简单易懂的堆内存分配器

heap_allocator A simple heap memory allocator in ~200 lines. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/he/heap_allocator

项目介绍

SHMALL（Simple Heap Memory ALLocator）是一个为业余操作系统开发的简单堆内存分配器。作者在几乎没有进行深入研究的情况下，编写了这个分配器，旨在使其尽可能易于理解。对于那些刚接触操作系统开发（如作者本人）或对malloc和free等函数简化版本感兴趣的人来说，这个项目非常有用。

项目技术分析

初始化

为了初始化堆，需要提供一段内存。在这个项目中，内存通过malloc分配（即通过堆分配堆）。在操作系统环境中，可能需要映射一些页面并将其提供给堆。注意，heap_t结构中的bins也需要分配内存。

元数据和设计

每个内存块都有一个node_t结构的头和一个footer_t结构的尾。node_t结构包含大小、是否空闲以及用于双向链表的两个指针（next和prev）。footer_t结构仅包含指向头的指针（用于释放相邻块时使用）。堆末尾的块称为“wilderness”块，它是最大的块，其最小和最大大小在heap.h中定义。扩展和收缩堆就像调整这个wilderness块的大小一样简单。空闲内存块存储在“bins”中，每个bin实际上只是一个具有相似大小的node_t结构的双向链表。heap_t结构包含定义数量的bins（BIN_COUNT在heap.h中定义）。为了确定将块放入哪个bin，块的大小通过get_bin_index函数映射到一个bin索引。这种一致的binning函数确保块可以以定义的方式访问和存储。块在插入bins时进行排序，因此插入不是O(1)，但这使得更容易找到最佳匹配的块。

分配

heap_alloc函数接受要从中分配的heap_t结构地址和大小。函数简单地使用get_bin_index来确定这个大小的块应该在哪个bin中，当然可能没有这个大小的块。如果在相应的bin中没有找到块，则检查下一个bin。这将一直持续到找到块或到达最后一个bin，在这种情况下，将从wilderness块中获取一块内存。如果找到的块足够大，则将其分割。为了确定是否应该分割块，从当前分配不使用的元数据（开销）中减去。如果剩余的部分大于或等于MIN_ALLOC_SZ，则意味着我们应该分割这个块并将剩余部分放入正确的bin中。一旦我们准备好返回找到的块，我们就获取next字段的地址并返回。这样做是因为在块分配时，next和prev字段未使用，因此块的用户可以在这些字段中写入数据而不影响堆的内部工作。

释放

heap_free函数接受由heap_alloc返回的指针。它减去正确的偏移量以获取node_t结构的地址。不是简单地将块放入正确的bin中，而是检查提供块周围的块。如果这些块中的任何一个空闲，则可以合并块以创建更大的块。为了合并块，使用footer来获取前一个块的node_t结构和下一个块的node_t结构。例如，假设我们有一个名为to_free的块。为了获取这个块之前的块，我们减去sizeof(footer_t)以获取前一个块的footer。footer包含指向前一个块头的指针。为了获取下一个块，我们简单地获取to_free的footer，然后加上sizeof(footer_t)以获取下一个块。一旦完成所有这些操作并重新计算大小，块将被放回bin中。