malloc/new函数及malloc()的一种简单原理性实现

malloc函数

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。

malloc 与free 是C++/C 语言的标准库函数,new/delete 是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言,光用maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数, 对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free 是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete 不是库函数。

 

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:

 1 //清单 6. 主分配程序
 2 void *malloc(long numbytes) {
 3     /* Holds where we are looking in memory */
 4     void *current_location;
 5     /* This is the same as current_location, but cast to a
 6     * memory_control_block
 7     */
 8     struct mem_control_block *current_location_mcb;
 9     /* This is the memory location we will return.  It will
10     * be set to 0 until we find something suitable
11     */
12     void *memory_location;
13     /* Initialize if we haven''t already done so */
14     if(! has_initialized) {
15         malloc_init();
16     }
17     /* The memory we search for has to include the memory
18     * control block, but the users of malloc don''t need
19     * to know this, so we''ll just add it in for them.
20     */
21     numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block);
22     /* Set memory_location to 0 until we find a suitable
23     * location
24     */
25     memory_location = 0;
26     /* Begin searching at the start of managed memory */
27     current_location = managed_memory_start;
28     /* Keep going until we have searched all allocated space */
29     while(current_location != last_valid_address)
30     {
31     /* current_location and current_location_mcb point
32     * to the same address.  However, current_location_mcb
33     * is of the correct type, so we can use it as a struct.
34     * current_location is a void pointer so we can use it
35     * to calculate addresses.
36         */
37         current_location_mcb =
38             (struct mem_control_block *)current_location;
39         if(current_location_mcb->is_available)
40         {
41             if(current_location_mcb->size >= numbytes)
42             {
43             /* Woohoo!  We''ve found an open,
44             * appropriately-size location.
45                 */
46                 /* It is no longer available */
47                 current_location_mcb->is_available = 0;
48                 /* We own it */
49                 memory_location = current_location;
50                 /* Leave the loop */
51                 break;
52             }
53         }
54         /* If we made it here, it''s because the Current memory
55         * block not suitable; move to the next one
56         */
57         current_location = current_location +
58             current_location_mcb->size;
59     }
60     /* If we still don''t have a valid location, we''ll
61     * have to ask the operating system for more memory
62     */
63     if(! memory_location)
64     {
65         /* Move the program break numbytes further */
66         sbrk(numbytes);
67         /* The new memory will be where the last valid
68         * address left off
69         */
70         memory_location = last_valid_address;
71         /* We''ll move the last valid address forward
72         * numbytes
73         */
74         last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
75         /* We need to initialize the mem_control_block */
76         current_location_mcb = memory_location;
77         current_location_mcb->is_available = 0;
78         current_location_mcb->size = numbytes;
79     }
80     /* Now, no matter what (well, except for error conditions),
81     * memory_location has the address of the memory, including
82     * the mem_control_block
83     */
84     /* Move the pointer past the mem_control_block */
85     memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block);
86     /* Return the pointer */
87     return memory_location;
88  }

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%。

 

 

 

posted @ 2012-08-20 15:31 sinaxyz 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏