系統程式設計師成長計畫記憶體管理三

作者****：李先靜

記憶體管理器

在前面學習共享記憶體的時候，我們重新實現了迴圈佇列，兩個實現的不同之處只是在於記憶體分配和釋放上。對比一下 fifo_ring_create的實現：

第一種實現用malloc分配記憶體。

fiforing* fifo_ring_create(size_t length)
return thiz;
}

第二種實現用 shmem_alloc分配記憶體。

fiforing* fifo_ring_create(size_t length)
} return thiz;
}

只是一行**之差，就要把整個佇列重寫一遍，不符合我們前面倡導的dry(don』t repeat yourself)原則。這裡可以看出，記憶體管理器有不同的實現，所以我們引入記憶體管理器這個介面來隔離變化。記憶體管理器的基本功能有：

o 分配記憶體

o 釋放記憶體

o 擴充套件/縮小已經分配的記憶體

o 分配清零的記憶體

據此，我們定義allocator介面如下：

struct  _allocator;
typedef struct _allocator allocator; 
typedef void* (*allocatorcallocfunc)(allocator* thiz, size_t nmemb, size_t size);
typedef void* (*allocatorallocfunc)(allocator* thiz, size_t size);
typedef void (*allocatorfreefunc)(allocator* thiz, void *ptr);
typedef void* (*allocatorreallocfunc)(allocator* thiz, void *ptr, size_t size);
typedef void (*allocatordestroyfunc)(allocator* thiz); 
struct _allocator
;

基於malloc系統函式的實現：

static void*  allocator_normal_calloc(allocator* thiz, size_t nmemb, size_t size)
...allocator* allocator_normal_create(void)
return thiz;
}

這裡函式與標準c函式一一對應，只需要簡單包裝就行了。

對於共享記憶體，通常的做法是先分配一大塊記憶體，然後進行二次分配，此時需要編寫自己的記憶體管理器。記憶體分配器是很奇特的，任何初學者都可以設計自己的記憶體分配器，但同時任何高手都不敢說自己能設計出最好的記憶體分配器。為什麼記憶體分配器很難寫好呢？因為設計好的記憶體分配器需要考慮很多因素：

o 最大化相容性

實現記憶體分配器時，先要定義出分配器的介面函式。介面函式沒有必要標新立異，而是要遵循現有標準(如posix或者win32)，讓使用者可以平滑的過度到新的記憶體分配器上。

o 最大化可移植性

通常情況下，記憶體分配器要向os申請記憶體，然後進行二次分配，這要呼叫os提供的函式才行。os提供的函式則是因平台而異，盡量抽象出平台相關的**，才能保證記憶體分配器的可移植性。

o 浪費最小的空間

記憶體分配器要管理記憶體，必然要使用一些自己的資料結構，這些資料結構本身也要佔記憶體空間。在使用者眼中，這些記憶體空間毫無疑問是浪費掉了，如果浪費在記憶體分配器本身的記憶體太多，顯然是不可以接受的。記憶體碎片也是浪費空間的罪魁禍首，記憶體碎片是一些不連續的小塊記憶體，它們總量可能很大，但因為其非連續性而無法使用，這些空間在某種程度上說也是浪費的。

o 最快的速度

記憶體分配/釋放是常用的操作。按著2/8原則，常用函式的效能對系統的整體效能影響最大，所以記憶體分配器的速度越快越好。遺憾的是，最先匹配演算法，最優匹配演算法和最差匹配演算法，誰也不能說誰更快，因為快與慢要依賴於具體的應用環境。

o 最大化可調性（以適應於不同的情況）

記憶體管理演算法設計的難點就在於要適應不同的情況。事實上，如果缺乏應用的上下文，是無法評估記憶體管理演算法的好壞的，因為專用演算法總是在時/空效能上有更優的表現。為每種情況都寫一套記憶體管理演算法，顯然是不太合適的。我們不需要追求最優演算法，那樣代價太高，能達到次優就行了。設計一套通用記憶體管理算法，通過一些引數對它進行配置，可以讓它在特定情況也有相當出色的表現，這就是可調性。

o 最大化除錯功能

作為乙個c/c++程式設計師，記憶體錯誤可以說是我們的噩夢，上一次的記憶體錯誤一定還讓你記憶猶新。記憶體分配器提供的除錯功能，強大易用，特別對於嵌入式環境來說，記憶體錯誤檢測工具缺乏的情況下，記憶體分配器提供的除錯功能就更不可少了。

o 最大化適應性

前面說了最大化可調性，以便讓記憶體分配器適用於不同的情況。但是，對於不同情況都要去調整配置，還是有點麻煩。盡量讓記憶體分配器適用於很廣的情況，只有極少情況下才去調整配置，這就是記憶體分配器的適應性。

設計是乙個多目標優化的過程，而且有些目標之間存在著競爭。如何平衡這些競爭是設計的難點之一。在不同的情況下，這些目標的重要性是不一樣的，所以根本不存在乙個最好的記憶體分配器。換句話說，記憶體分配器的實現是變化的，要根據不同的應用環境而變化。

下面我們實現乙個傻瓜型的記憶體管理器，按上面的標準來看，它沒有什麼實際的意義，但它的優點是簡單，僅僅200多行**，就展示了記憶體管理器的基本原理。

o 分配過程

所有空閒的記憶體塊放在乙個雙向鍊錶中，最初只有一塊。分配時使用首次匹配演算法，在第乙個空閒塊上進行分配。

static void*  allocator_self_manage_alloc(allocator* thiz, size_t size)
} return_val_if_fail(iter != null, null); 
/*如果找到的空閒塊剛好滿足需求，就從空閒塊鍊錶中移出它*/
if(iter->length < (length + min_size))
if(iter->prev != null)
if(iter->next != null)
}else
if(iter->next != null)
if(priv->free_list == iter)
iter->length = length;
}/*返回可用的記憶體*/
return (char*)iter + sizeof(size_t);
}

這裡對空閒塊的管理不占用有效記憶體空間，它只是強制的把空閒塊轉換成 freenode結構，這要求任何空閒塊的大小都不小於sizeof(freenode)。

o 釋放記憶體

釋放時把記憶體塊放回空閒鍊錶，然後對相鄰居的記憶體塊進行合併。

static void   allocator_self_manage_free(allocator* thiz, void *ptr)
/*根據記憶體塊位址的大小，把它插入到適當的位置。*/
for(iter = priv->free_list; iter != null; iter = iter->next)
iter->prev = free_iter; 
if(priv->free_list == iter)
break;
} if(iter->next == null)
} /*對相鄰居的記憶體進行合併*/
allocator_self_manage_merge(thiz, free_iter); 
return;
}

有了allocator介面，我們也可以通過裝飾模式，為記憶體管理器加上越界/洩露檢查等其它輔助功能。下面的allocator是檢查記憶體越界的裝飾。

o 實現函式

static void*  allocator_checkbo_alloc(allocator* thiz, size_t size)
return ptr + 2 * sizeof(void*);
}

分配記憶體時：多分配3 * sizeof(void*)個位元組，分別用來記錄記憶體塊的長度及前後的magic資料。然後呼叫實際的(即被裝飾的)記憶體分配器分配記憶體，記錄長度並填充magic資料，最後返回記憶體指標給呼叫者。

static void   allocator_checkbo_free(allocator* thiz, void *ptr)
return;
}

釋放記憶體時：取得記憶體塊的長度，然後檢查前後的magic資料是否被修改，如果被修改則認為存在寫越界的錯誤。

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