堆的工作原理

堆的数据结构：一般包括堆块和堆表两部分

 

堆块：由块首和块身组成

块首：堆块头部的几个字节，用来标识该堆块的信息，如块的大小，状态为空闲还是占用等。

块身：紧跟在块首后面的部分，这部分将最终分配给用户。

 

堆表：一般位于堆区起始位置，用于索引堆区中所有堆块的重要信息，如堆块的位置、大小、状态。

 

在windows中，占用态的堆块被使用它的程序索引，堆表只索引所有空闲态的堆块。

最重要的堆表有两种：空闲双向链表（空表Freelist）和快速单向链表（快表Lookaside）

 

空闲堆块由块首的一对指针组织成双向链表。

 

空表：按照堆块的大小不同，总共分为128条，椎区一开始有一个128项的指针数据，叫空表索引（Freelist array),每一项包括两个指针，用于标识一条空表。如下图所示：

free[0]保存了所有大于等于1024字节且小于512KB的堆块,堆块在链表中按升序排列。

对于free[1]到free[127]: 空闲椎块的大小 = 索引值（下标）* 8字节

 

快表：为加快堆分配采用的一种单向链表，链表中的堆快不会被合并（空闲块块闲被设置为占用态，防止合并）

快表也有128条，组织结构与空表相似，只是按单向链表组织，初始化为空，最多有4个结点。如下图所示：

 

堆块分配：快表分配，普通空表分配，零号空表分配

快表分配：寻找大小匹配的空闲堆块进行分配，不会出现“找零钱”现象。

空表分配：寻找最小能够满足要求的空闲堆块进行分配，如果没有正好匹配的堆块，则从稍大一点的堆块中割出一块进行分配，剩下的重新链入空表（即为“找零钱”现象）。

 

堆块释放：将状态改为空闲，链入相应的堆表末尾，分配时也从末尾分配。

 

堆块合并：当堆管理系统发现两个空闲堆块相邻时，就会进行堆块合并操作，包括，将堆块从链表中卸下、合并、调整新堆块块首信息、重新链入空表。

 

堆区还有一种操作叫内存紧缩，类似磁盘碎片整理，会对整个堆进行调整，尽量合并可用碎片。

 

windows把内存按照大小分为三类：

小块：SIZE < 1KB

大块：1KB <= SIZE < 512KB

巨块：SIZE => 512KB

 

对应分配释放算法也分为三类，如下图所示：

windows堆管理中的几个要点：

1. 快表中的空闲块被设置为占用态，故不会被合并。
2. 快表只有精确匹配时才会分配，不存在搜索次优解和“找零钱”现象。
3. 快表是单链表操作比双链表简单，插入和删除操作都少用很多指令。
4. 快表很快，所有总是优先使用快表，失败时才用空表。
5. 快表只有4项，因此空表也是被频繁使用的。
   

调试态堆管理策略与常态堆管理策略有很大差异，集中体现在：

1. 调试堆不用快表，只用空表
2. 所有堆块被加上了多余16字节尾部来放止溢出，包括8字节的0xAB和8字节的0x00
3. 块首标志位不同

 

占用态堆块数据结构如下图所示(其中堆块的大小Self Size是包括堆首在内的):

 

占用态堆块数据结构如下图所示：