C程序中的存储分配

C程序中的存储分配

(刘爱贵 - Aiguille.LIU)

　　C程序设计中，经常需要使用malloc/free动态管理内存，在需要的时候向操作系统申请空间，适合的时候释放不再使用的空间。那么，C库中malloc/free是如何实现的呢？参考"The C Programming Language"，我们设计了自己的存储分配程序。

　　由于程序中某些地方可能不通过malloc调用申请空间，因此，malloc管理的空间不一下是连续的。这样，空闲存储空间以空闲链表的方式组织，每个块包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身的存储空间的指针。这些块按照存储地址的升序组织，最后一块指向第一块。
　　
　　当有申请请求时，malloc将扫描空闲块链表，直到找到一个足够大的块为止。这种算法称为“首次适应(first fit)”。与之相对的算法是“最佳适应(best fit)”，它寻找满足条件的最小块。如果该块恰好与请求的大小相符合，则将它从链表中移走并返回用户。如果该块太大，则将它分成两部分：大小合适的块返回给用户，剩下的部分留在空闲块链表中。如果找不到一个足够大的块，则向操作系统申请一个大块并加入到空闲块链表中。

　　释放过程也是首先搜索空闲块链表，以找到可以插入被释放块的合适位置。如果与被释放块相邻的任一边是一个空闲块，则将这两个块合成一个更大的块，这样存储空间不会有太多的碎片。因为空闲块链表是以地址的递增顺序链接在一起的，所以很容易判断相相邻的块是否空闲。

　　malloc函数返回的存储空闲要求满足将要保存的对象的对齐要求。虽然机器类型各异，但是，每个特定的机器都有一个最受限的类型：如果最受限的类型可以存储在某个特定的地址中，则其他所有的类型也可以存放在此地址中。在某些机器中，最受限的类型是double；而在另外一些机器中，最受限的类型是int或long类型。

　　下面的my_malloc.c程序，简化了块的对齐，所有块的大小都是头部大小的整数倍，且头部已正确地对齐。空闲块开始处的控制信息称为“头部”。假定long类型为最受限的类型：

#include<stdio.h>
#include<string.h>

#defineNALLOC1024　/*最小申请单元数*/

typedeflongAlign;/**//*按照long类型的边界对齐*/

unionheader/**//*块的头部*/
...{
struct...{
unionheader*ptr;/**//*空闲块的链表的下一块*/
unsignedsize;/**//*本块的大小*/
}s;
Alignx;/**//*强制块的对齐*/
};

typedefunionheaderHeader;

staticHeaderbase;/**//*从空链表开始*/
staticHeader*freep=NULL;/**//*空闲链表的初始指针*/

/**//*free函数：将块ap放入空闲块链表中*/
voidfree(void*ap)
...{
Header*bp,*p;
bp=(Header*)ap-1;

for(p=freep;!(bp>p&&bp<p->s.ptr);p=p->s.ptr)
if(p>=p->s.ptr&&(bp>p||bp<p->s.ptr))
break;/**//*被释放的块在链表的开头或未尾*/

if(bp+bp->s.size==p->s.ptr)...{/**//*与上一相邻块合并*/
bp->s.size+=p->s.ptr->s.size;
bp->s.ptr=p->s.ptr->s.ptr;
}else
bp->s.ptr=p->s.ptr;

if(p+p->s.size==bp)...{/**//*与下一相邻块合并*/
p->s.size+=bp->s.size;
p->s.ptr=bp->s.ptr;
}else
p->s.ptr=bp;
freep=p;
}

/**//*morecore:向系统申请更多的存储空间*/
staticHeader*morecore(unsignednu)
...{
char*cp,*sbrk(int);
Header*up;

if(nu<NALLOC)
nu=NALLOC;
cp=sbrk(nu*sizeof(Header));
if(cp==(char*)-1)/**//*没有空闲空间*/
returnNULL;
up=(Header*)cp;
up->s.size=nu;
free((void*)(up+1));
returnfreep;
}

/**//*mumalloc:存储分配函数*/
void*mymalloc(unsignednbytes)
...{
Header*p,*prevp;
Header*morecore(unsigned);
unsignednunits;

nunits=(nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header)+1;
if((prevp=freep)==NULL)...{/**//*没有空闲链表*/
base.s.ptr=freep=prevp=&base;
base.s.size=0;
}

for(p=prevp->s.ptr;;prevp=0,p=p->s.ptr)...{
if(p->s.size>=nunits)...{/**//*足够大*/
if(p->s.size==nunits)/**//*正好*/
prevp->s.ptr=p->s.ptr;
else...{/**//*分配未尾部分*/
p->s.size-=nunits;
p+=p->s.size;
p->s.size=nunits;
}

freep=prevp;
return(void*)(p+1);
}

if(p==freep)/**//*闭环的空闲链表*/
if((p=morecore(nunits))==NULL)
returnNULL;/**//*没有剩余的存储空间*/
}
}

/**//*主函数：测试mymalloc函数*/
intmain(void)
...{
char*p;

p=(char*)mymalloc(30);
strcpy(p,"helloworld");
printf("%s ",p);
}

更详细的程序说明请直接参考"The C Programming Language"一书162 ~ 166页。