ARM/linux|malloc内存分配详解 ARM

这里的存储分配程序，讲的就是标准库中malloc函数的实现原理。首先要了解针对malloc的内存存储结构。malloc不像全局变量一样，不是在编译器编译的时候就会分配内存空间，而是在调用到malloc函数时才会分配空间。有时还会中途调用free函数释放空间出来。所以：
1、malloc在第一次被调用时，从系统中获取最小为一个单元的空闲空间（eg：最小单元为1024个最受限单元块。当x<=1024，获取1024个，否则获取x个），再进行分配；
2、malloc所剩下的空闲空间一般都不是连续的，而是分散的。这样也提高了空间的利用率。
为了管理malloc的空闲空间，每一个独立块的最前面都包含了一个“头部”信息：一个指向下一个空闲块的指针、一个本身独立块的长度（书上说还有一个指向自身存储空间的指针，但每个存储空间都有自身的指针，为什么还要这个呢。后看英语版原著，这么写的：Each block contains a size, a pointer to nextblock, and the space itself.）。下一个空闲块是按存储地址升序排列，离本空闲块最近的一个空闲块，若本空闲块在最后，则指向最前的空闲块。这样所有属于malloc的空闲空间都被串在了一起。如下图所示：

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注：中文版的此图解释翻译搞错了，如下图：

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因为后面的free函数已经把相邻的空闲链表给整合成一块了，所以我的图没有出现相邻的空闲链表。

每块由malloc控制的空间都包含一个“头部”信息，为了方便管理，每块的空间大小都是头部大小的整数倍。而头部长度=指向下一个空闲块的指针的长度+自身空间大小的unsigned长度。但为了确保由malloc函数返回的存储空间满足将要保存的对象的对齐要求。每个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一个特定的地址中，则其他所有的类型也可以存放在此地址中。有的是double型，有的是long型，甚至还有的是int型。因此，头部结构将与最受限的类型进行联合，来确保对齐。
因为有头部信息，头部信息里的本块空间size也是包括头部的大小，所以每次申请malloc空闲块的时候，都要加上一个单元，最后返回给用户的时候，再去掉头部。
每次调用malloc申请空间时，malloc有一个专门指向当前空闲块链表的静态指针freep。从当前开始扫描剩下的空闲块链表，直到扫到一个足够大的空闲块。此算法成为“首次适应”（first fit），与之相对的是“最佳适应”（best fit）：它将扫描出满足条件最小的块。这里的代码是“首次适应”算法。结果将出现三种情况：
1）找到一块刚好合适的空闲块，则此块空间从链表中移走并将此块的地址返回给用户，并把静态指针freep指向前一空闲块地址；
2）找到一块比需求大的空闲块，则从此空闲块中的后部取一块与需求一样的空间给用户，前部改变空闲块大小便可；

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注（直到写本博文才发现自己错了）：
①一直都认为返回给用户地址前一单元的头部，应该把空间退还给前面的空闲块，不然就闲着了。其实，里面记录了一个重要信息：空间块大小（包括头部和返回给用户的单元大小），在free释放空间的时候，就必须用到此头部的信息；
②后面的free程序以为是专供系统申请空间后插入空闲块链表用的，其实它就是我们平常用malloc、realloc、或calloc申请空间后，再释放的程序。

3）如果扫描了一遍，都没有找到足够大的空闲块，则向系统再申请一块新的空间。
上面都是在malloc已经有了空闲块的前提下，但第一次申请的时候，malloc是没有空闲块空间的。因此，在预编译时，就建立了一个单元的空闲块链表base来当做空闲链表的入口。当第一次调用malloc时，空闲链表的静态指针freep为NULL，那将它指向base，大小设为0（这样这块base空间将一直存在，且不被申请，确保了之后freep一直指向有效的空闲块链表），且指向它自己，同时向系统申请空闲空间（每次向系统申请的空间都是一块连续的空闲块）。

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typedef long Align; /*按照long类型的边界对齐，即以long作为最受限类型*/
union header{/*头部信息*/
struct {
union header *ptr; /*指向下一个空闲块*/
unsigned size; /*本空闲块大小*/
}s;
Align x; /*强制对齐*/
};
typedef union header Header;
static Header base; /*第一次调用malloc的空闲块链表入口，大小为0的空链表（按照上面逻辑的来说，这里的size应该为1）*/
static Header *freep = NULL; /*静态的空闲块链表指针，初始化为NULL。第一次申请后才会指向base*/
/*malloc函数：通用存储分配函数*/
void *malloc(unsigned nbytes)
{
Header *p,*prevp; /*定义一个当前空闲块指针变量，和前一个空闲块指针变量*/
Header *morecore(unsigned); /*用于向系统申请空闲空间函数*/
unsigned nunits; /*需要申请的实际单元大小，即上面图中的z*/
nunits = (nbytes + sizeof(Header) - 1)/sizeof(Header) + 1; /*与上图对应，把字节大小转换为单元大小，向上取整，并加上一个单元（头部）*/
if((prevp = freep) == NULL){/*没有空闲链表，第一次申请*/
base.s.ptr = prevp = freep = &base; /*freep指向base，base的下一个空闲块指针指向自己*/
base.s.size =0; /*设置大小为0*/
}
for(p = prevp->s.ptr; ; prevp = p, p = p->s.ptr){
if(p->s.size >= nunits){
if(p->s.size == nunits)/*大小刚好合适*/
prevp->s.ptr = p->s.ptr; /*移走此块空闲区域*/
else{/*比实际需求大，从空闲块尾部分配*/
p->s.size -= nunits; /*缩小空闲块大小*/
p += p->s.size; /*指针指向被申请的空间的头部*/
p->s.size = nunits; /*设置被申请的空闲块大小*/
}
freep =prevp; /*当前静态指针指向前一空闲块，如果当前块还有空闲区域，下次将继续从此处开始扫描，节省时间*/
return (void *)(p+1); /*返回去头部单元的空闲空间*/
}
if(p == freep)/*闭环的空闲链表，第一次调用malloc申请，或扫描一遍，未发现足够大的空间*/
if((p = morecore(nunits)) == NULL)/*向系统申请空间*/
return NULL; /*未申请成功，*/
}
}

通过下面的morecore()和free()函数的程序分析可知，在向系统成功申请空间后，p将指向有足够空间的空闲块。但在此代码中，进入下一此空闲块扫描前，p将指向下一块不足的空闲块，导致多扫描了一遍。个人觉得，如果空间足够，可以多申请一个静态指针beforefreep，指向freep的前一个空闲块。这样上面代码可添加一句，提高效率：
[cpp]view plain copy

if(p == freep){ /*这样要添加大括号*/
if((p = morecore(nunits)) == NULL)
return NULL;
p = beforefreep;
}
或
if(p == freep) /*这里可以不用加大括号，else与最近的if匹配*/
if((p = morecore(nunits)) == NULL)
return NULL;
else
p = beforefreep;

向系统申请空间的时，不是按需分配，而是有一个最小申请单元数。让您足够用，这次用不完可以留着下次用，不用每次都向系统申请，又不会系统浪费空间。
真正向系统申请空间，还需调用系统调用sbrk(n)（UNIX下），若申请成功，该指针返回指向n个字节的存储空间；若申请失败，返回-1（不是NULL）。返回的指针类型是char *（应该是最小的存储空间单元）。

[cpp]view plain copy

#define NALLOC 1024 /*最小申请单元数*/
/*morecore函数：向系统申请更多的存储空间*/
static Header *morecore(unsigned nu)/*返回的是静态空闲块链表指针*/
{
char *cp, *sbrk(int);
Header *up;
if(nu < NALLOC)
nu =NALLOC;
cp = sbrk(nu * sizeof(Header)); /*调用系统调用申请系统空间*/
if(cp == (char *) -1)
return NULL; /*申请失败，没有空间*/
up = (Header *)cp; /*转换为Header*指针类型*/
up->s.size = nu; /*设置此空间块的大小*/
free((void *)(up +1)); /*释放空间*/
return freep;
}

这里的返回的freep，在free中更新了，才返回的。当初也想过既然freep都是静态全局变量了，那这里为什么还要返回一个静态变量呢，直接在函数里赋值就好了。其实这里有成功与失败，所以程序来需要判断申请结果，而且返回的freep是与申请最相关东西。
free(void *ap)函数就是释放指针ap所指的空间，具体要释放的大小在ap前一个指针，即头部信息里。释放主要就是为了把此空间插入到空闲块链表中。所以要找到此空间块两边的空闲块（也有可能只有一块空闲块，即入口base）。然后判断是否与前一块相连，与后一块相连，相连的话，合并成一块，否则直接在中间插入一个新的空闲块链表。

[cpp]view plain copy