C程序中的存儲分配

 

C程序中的存儲分配

分類： GNU/LINUX C/C++ 數據存儲 數據結構與算法 2008-04-12 17:55 731人閱讀 評論(4) 收藏 舉報

C程序中的存儲分配

(劉愛貴 - Aiguille.LIU)

　　C程序設計中，經常需要使用malloc/free動態管理內存，在需要的時候向操作系統申請空間，適合的時候釋放不再使用的空間。那麼，C庫中malloc/free是如何實現的呢？參考"The C Programming Language"，我們設計了自己的存儲分配程序。

　　由於程序中某些地方可能不通過malloc調用申請空間，因此，malloc管理的空間不一下是連續的。這樣，空閒存儲空間以空閒鏈表的方式組織，每個塊包含一個長度、一個指向下一塊的指針以及一個指向自身的存儲空間的指針。這些塊按照存儲地址的升序組織，最後一塊指向第一塊。
　　
　　當有申請請求時，malloc將掃描空閒塊鏈表，直到找到一個足夠大的塊爲止。這種算法稱爲“首次適應(first fit)”。與之相對的算法是“最佳適應(best fit)”，它尋找滿足條件的最小塊。如果該塊恰好與請求的大小相符合，則將它從鏈表中移走並返回用戶。如果該塊太大，則將它分成兩部分：大小合適的塊返回給用戶，剩下的部分留在空閒塊鏈表中。如果找不到一個足夠大的塊，則向操作系統申請一個大塊並加入到空閒塊鏈表中。

　　釋放過程也是首先搜索空閒塊鏈表，以找到可以插入被釋放塊的合適位置。如果與被釋放塊相鄰的任一邊是一個空閒塊，則將這兩個塊合成一個更大的塊，這樣存儲空間不會有太多的碎片。因爲空閒塊鏈表是以地址的遞增順序鏈接在一起的，所以很容易判斷相相鄰的塊是否空閒。

　　malloc函數返回的存儲空閒要求滿足將要保存的對象的對齊要求。雖然機器類型各異，但是，每個特定的機器都有一個最受限的類型：如果最受限的類型可以存儲在某個特定的地址中，則其他所有的類型也可以存放在此地址中。在某些機器中，最受限的類型是double；而在另外一些機器中，最受限的類型是int或long類型。

　　下面的my_malloc.c程序，簡化了塊的對齊，所有塊的大小都是頭部大小的整數倍，且頭部已正確地對齊。空閒塊開始處的控制信息稱爲“頭部”。假定long類型爲最受限的類型：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define NALLOC 1024　/* 最小申請單元數 */

typedef long Align;  /**//* 按照long類型的邊界對齊 */

union header         /**//* 塊的頭部 */
...{
  struct ...{
    union header *ptr;    /**//* 空閒塊的鏈表的下一塊 */
    unsigned size;    /**//* 本塊的大小 */
  }s;
  Align x;        /**//* 強制塊的對齊 */
};

typedef union header Header;

static Header base;        /**//* 從空鏈表開始 */
static Header *freep = NULL;    /**//* 空閒鏈表的初始指針 */

/**//* free 函數：將塊ap放入空閒塊鏈表中 */
void free(void *ap)
...{
  Header *bp, *p;
  bp = (Header*)ap -1;

  for ( p = freep ; !(bp>p &&bp < p->s.ptr); p = p->s.ptr)
    if ( p >= p->s.ptr && (bp >p ||bp <p->s.ptr))
      break;        /**//* 被釋放的塊在鏈表的開頭或未尾 */

  if ( bp + bp->s.size == p->s.ptr) ...{    /**//* 與上一相鄰塊合併 */
    bp ->s.size +=p->s.ptr->s.size;
    bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;
  }else
    bp->s.ptr= p->s.ptr;

  if ( p+ p->s.size == bp) ...{        /**//* 與下一相鄰塊合併 */
    p->s.size +=bp->s.size;
    p ->s.ptr = bp ->s.ptr;
  } else
    p->s.ptr = bp;
  freep = p;
}

/**//* morecore: 向系統申請更多的存儲空間 */
static Header *morecore( unsigned nu)
...{
  char *cp, *sbrk(int );
  Header *up;

  if ( nu <NALLOC)
    nu = NALLOC;
  cp = sbrk(nu * sizeof(Header));
  if ( cp == (char *) -1)    /**//* 沒有空閒空間 */
    return NULL;
  up = (Header *) cp;
  up ->s.size = nu;
  free ((void*)(up+1));
  return freep;
}

/**//* mumalloc: 存儲分配函數 */
void *mymalloc (unsigned nbytes)
...{
  Header *p, *prevp;
  Header *morecore(unsigned);
  unsigned nunits;

  nunits = (nbytes +sizeof(Header)-1)/sizeof(Header)+1;
  if ((prevp = freep)==NULL) ...{    /**//* 沒有空閒鏈表 */
    base.s.ptr = freep = prevp = &base;
    base.s.size = 0;
  }

  for ( p = prevp ->s.ptr; ; prevp = 0, p = p->s.ptr) ...{ 
    if ( p ->s.size >= nunits) ...{    /**//* 足夠大 */
      if ( p->s.size == nunits)        /**//* 正好 */
        prevp ->s.ptr= p->s.ptr;
      else ...{        /**//* 分配未尾部分 */
        p->s.size -= nunits;
        p += p->s.size;
        p->s.size = nunits;
      }

      freep = prevp;
      return (void*)(p+1);
    }

    if ( p == freep)    /**//* 閉環的空閒鏈表 */
      if ((p = morecore(nunits)) ==NULL)
        return NULL;    /**//* 沒有剩餘的存儲空間 */
  }
}

/**//* 主函數：測試mymalloc函數 */
int main(void)
...{
  char * p ;

  p = (char *)mymalloc (30);
  strcpy(p, "hello world");
  printf("%s ", p);
}

更詳細的程序說明請直接參考"The C Programming Language"一書162 ~ 166頁。

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