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malloc,free的简单实现

2024-07-26 18:31:23   224人阅读

首先简单说一下标准库中malloc实现原理：
    标准库内部通过一个双向链表，管理在堆中动态分配的内存。
    malloc函数分配内存时会附加若干(通常是12个)字节，存放控制信息。
    该信息一旦被意外损坏，可能在后续操作中引发异常。

mmap/munmap   底层不维护任何东西，只是返回一个首地址，所分配内存位于堆中。

brk/sbrk   底层维护一个指针，记录所分配的内存结尾，所分配内存位于堆中，底层调用mmap/munmap。

malloc   底层维护一个双向链表和必要的控制信息，不可越界访问，所分配内存位于堆中，底层调用brk/sbrk。

每个进程都有4G的虚拟内存空间，虚拟内存地址只是一个数字，并没有和实际的物理内存相关联。

所谓内存分配与释放，其本质就是建立或取消虚拟内存和物理内存间的映射关系。

几个用到的函数：
void* sbrk (
    intptr_t  increment // 内存增量(以字节为单位)
);
返回上次调用brk/sbrk后的末尾地址，失败返回-1。
increment取值：

0 - 获取末尾地址。

>0 - 增加内存空间。

<0 - 释放内存空间。

内部维护一个指针，指向当前堆内存最后一个字节的下一个位置。
sbrk函数根据增量参数调整该指针的位置，同时返回该指针原来的位置。
若发现页耗尽或空闲，则自动追加或取消页映射。

int brk (
   void* end_data_segment // 内存块末尾地址
);

成功返回0，失败返回-1。

内部维护一个指针，指向当前堆内存最后一个字节的下一个位置。
brk函数根据指针参数设置该指针的位置。
若发现页耗尽或空闲，则自动追加或取消页映射。

sbrk/brk底层维护一个指针位置，以页(4K)为单位分配和释放虚拟内存。
简便起见，可用sbrk分配内存，用brk释放内存。


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdbool.h>
typedef struct mem_control_block //内存控制块
{
	bool free;   //自由标志
	struct mem_control_block* prev;  //前向指针
	size_t size;   //块大小
}MCB;
MCB* g_top;  //内存栈顶指针

// +----------------------+              g_top
// v                      |                |
// +------+------------+--|---+------------+------+------------+
// | prev |            | prev |            | prev |            |
// | free |            | free |            | free |            |
// | size |            | size |            | size |            |
// +------+------------+------+------------+------+------------+
//   MCB  |<-- size -->|

void* my_malloc(size_t size)
{
	MCB* mcb;
	for(mcb = g_top; mcb; mcb = mcb->prev)
		if(mcb->free && mcb->size >= size)//寻找可用空块
			break;
	if(!mcb) //如果没有可用空块
	{
		mcb = sbrk(sizeof(MCB) + size); //增量分配size大小内存
		if(mcb == (void*)-1)    //如果分配失败，打印错误信息
		{
			perror("sbrk");
			return NULL;
		}
		mcb->prev = g_top; //调整前向指针
		mcb->size = size;  //大小
		g_top = mcb;    //调整栈顶指针
	}
	mcb->free = false;  //无论用原来空块还是新分配的块，都标记为不可用
	return mcb + 1; //返回实际分配的内存起始地址
}
void my_free(void* ptr)
{
	if(!ptr)
		return;

	MCB* mcb = (MCB*)ptr - 1;  //取控制块起始地址，
				//注意：ptr为实际可用内存起始地址
	mcb->free = true;   //块标记为可用
	
	//在栈中查找连续内存块
	for(mcb = g_top; mcb->prev; mcb = mcb->prev)
		if(!mcb->free)
			break;
	//释放整个栈所有内存块
	if(mcb->free)
	{
		g_top = mcb->prev;
		brk(mcb);   //修改内存块末尾地址
	}
	else  //释放连续的标记为true的内存块
	{
		g_top = mcb;
		brk((void*)mcb + sizeof(MCB) + mcb->size);
	}
}
//测试
int main(void)
{
	int* pa[10];
	size_t size = sizeof(pa) / sizeof(pa[0]), i, j;
	for(i = 0; i < size; ++i)
	{
		if(!(pa[i] = (int*)my_malloc((i+1) * sizeof(int))))
		{
			perror("my_malloc");
			return -1;
		}
		for(j = 0; j <= i; ++j)
			pa[i][j] = j;
	}
	for(i = 0; i < size; ++i)
	{
		for(j = 0; j <= i; ++j)
			printf("%d ", pa[i][j]);
		printf("\n");
	}
	for(;;)
	{
		my_free(pa[--i]);
		if(! i)
			break;
	}
	return 0;
}


malloc,free的简单实现


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