模拟实现一个多线程环境
来源:互联网 发布:淘宝动漫周边店成本 编辑:程序博客网 时间:2024/04/30 23:37
引言
初学者或者一些有经验的开发人员,并不总是对于系统底层有清楚的了解。比如,进程(或线程)调度是如何实现的?往往只停留于模糊的认识。了解这些问题的最好途径是亲自实践。然而开发一个真实系统的门槛很高,而通过学习一个已有系统来了解也非易事,因为错综复杂的代码和关系有时把人搞糊涂了。于是学习者往往写一些模拟程序来努力表达系统是怎样运作的。不过,这些程序往往过于简单。于是“看看能否写一个模拟进程调度的软件”,从这个想法出发我尝试写一个接近真实的调度程序,因为进程或线程调度是现代操作系统的核心部分。经过一段时间的摸索一个调度程序写成了,同时写了一个简单的内存管理。接下来实现了一个模拟文件系统,差不多是按着0.11版的Linux文件系统实现的。我把这个模拟系统看作是学习和实践的一个场所,因此我主要用C++语言而不是C语言来编写,因为面向对象的方法(接口和类)更容易表达要被理解的东西。毕竟这是一个模拟程序,首要目标是帮助人学习和亲自实践,而不是以追求实现效率为先。目前这个模拟系统是在Windows平台上实现的,但它也可能在其它平台上实现。因为这个系统中只有少量与平台或硬件有关的代码,在不同平台上这部分的实现将有差异。
多线程/进程的模拟实现
线程及线程切换的概念
我们先来回顾下线程及其切换的概念。计算机通常按顺序一条一条地执行程序指令。多数处理器(CPU)通常内部借助一些寄存器来完成指令的执行,例如程序计数器(PC),指向下一条要执行的指令,其它是一些数据或状态寄存器等。另外,许多计算机支持使用堆栈(stack)来传递函数参数,存放局部变量等,因为寄存器的数量毕竟有限。通常用一个堆栈寄存器(SP)来指向当前所用的堆栈。当一段程序代码被执行的时候,处理器就处在一个状态中,这个状态可以用当前的程序计数器,堆栈指针,以及其它一些寄存器的集合来定义。如果我们把这个状态保存下来,转去执行其它代码,一段时间后再回过来,把先前保存的状态恢复,使各个寄存器恢复到以前保存的那个状态,继续执行下去,那么这一段程序的执行就好像没有被打断一样。这样一段程序的执行,就像一个独立的执行流或路径,这就是一个线程(thread)的含义了。系统中可以有许多线程,只要对每个线程都按照保存、恢复,恢复、保存来处理,就看起来像是同时各自独立运行。至于线程切换,就是把当前线程的执行状态保存起来,然后把另一个线程的已保存状态恢复过来,成为当前,这就完成切换了。
线程切换的实现
虽然我们大概明白线程及其切换的原理,但编写代码实现出来是最重要的。在寻求实现的过程中,我曾担心一件事:线程切换的实现,是否离不开特殊硬件指令的支持?恐怕是特权指令。我看到一篇网友的文章,他在用户程序中给出了从一个函数切换到另一个函数的例子,他的函数相当于线程函数。因此我参照他的代码在Windows平台上实现了。我用的开发工具为vs2008,为了完成线程切换,需要嵌入Intel汇编指令。
线程切换实现代码
void threadSwitch(int *pCurrentESP, int *pCurrentEIP, int nextESP, int nextEIP){ __asm { push eax push ebx push ecx push edx push esi push edi push ebp //save ESP mov ebx,esp mov eax,[pCurrentESP] mov [eax],ebx //restore ESP mov eax,nextESP mov esp,eax //Save EIP lea ebx, _RECOVER_ mov eax, [pCurrentEIP] mov [eax],ebx //Restore EIP mov eax, nextEIP push eax ret_RECOVER_: pop ebp pop edi pop esi pop edx pop ecx pop ebx pop eax }}
我们来分析这段代码如何完成切换的。pCurrentESP指向一个地址,用来存放当前线程的堆栈指针。pCurrentEIP也指向一个地址,用来存放当前线程的下一条指令地址。nextESP和nextEIP分别是将要切换过去的线程(简称下一个线程)的堆栈指针和下一条指令地址。切换的目标是把当前执行环境保存起来,并把下一个线程环境恢复成为当前。首先从push eax到push ebp是把一些通用寄存器保存到当前堆栈中 - 这个堆栈通常就属于这个线程。接下来保存当前线程的ESP,即堆栈指针,保存到pCurrentESP指向的地方 - 通常位于线程的内部数据结构中。后面又把当前线程的下一条指令地址保存起来,通常也是保存到线程内部数据结构中。请注意,下一条指令指向哪里?指向的是_RECOVER_标号处。这样,当以后再切回这个线程时,将执行_RECOVER_标号处代码,这部分代码所作的正是从堆栈中弹出和恢复那些通用寄存器的内容,这样就恢复到这个线程切换前的状态了。现在来看对下一个线程执行环境的恢复。首先是恢复堆栈指针,即把nextESP的内容赋给ESP寄存器,接下来恢复指令计数器EIP。由于EIP不能直接修改,这里利用堆栈并ret指令达到间接改变EIP的目的。这样就跳到下一个线程执行去了(如果此线程也调用这里的切换代码或者类似代码,可能马上就从堆栈中恢复那些通用寄存器,如前面所分析的),下一个线程成为新的当前线程。
我很高兴在上述线程切换的实现中,并未依赖于特殊硬件指令。这部分代码在所在平台下经过测试,证明可以工作。于是,我们在用户程序空间里实现了线程切换,因为模拟程序通常作为宿主机系统上的一个用户进程来运行。当前的实现,是Windows上的一个用户进程。
一个细节:上述切换代码,我定义成一个函数供调用,而不是使用宏(如linux的switch_to宏)。这个函数形式也是可行的。几个参数pCurrentESP,pCurrentEIP,nextESP,nextEIP是该函数的局部变量。C汇编代码对局部变量的访问是通过EBP寄存器。注意切换过程中虽然堆栈指针ESP被改变,但EBP并未改变,因此对这几个局部变量的访问总是有效的。
线程/进程管理类(接口)
线程切换实现之后,其它如线程的内部数据结构,线程调度等相对来说比较容易了。我打算把线程和进程的有关功能放到一个类中。为了清晰,先定义一个线程/进程的管理接口。我也决定在这个模拟系统中,以线程为基本调度单元。一个进程可以有一个或多个线程,其中有一个线程为主线程(主线程若结束,这个进程就要销毁了)。下面是线程/进程管理类接口,其中的接口函数都定义为纯虚函数。
线程/进程管理接口
typedef int (*THREAD_PROC)(void *parameter);class ProcessManager{public://创建一个进程和其主线程。成功返回该进程的id(进程范围内唯一,大于0),失败返回0。//主线程和其它线程的区别是,主线程运行结束,进程就终止,属于该进程的所有线程都释放。virtual int createProcess(THREAD_PROC mainThreadProc, void *parameter, int stackSizeInKB=1024, bool readyToRun=true) = 0;//创建一个线程。成功返回该线程的id(线程范围内唯一,大于0),失败返回0。//为了简化编程,约定线程id从1开始顺序编号(0为系统空闲线程所用)。virtual int createThread(THREAD_PROC threadProc, void *parameter, int stackSizeInKB=1024, bool readyToRun=true) = 0;//进程/线程调度。//对于合作式的线程调度,需要每个线程主动调用调度函数,让其它线程有机会执行。virtual void schedule() = 0;//获取当前进程的id。virtual int getCurrentProcessId() = 0;//获取当前线程的id。virtual int getCurrentThreadId() = 0;//获取进程的当前工作路径virtual const char *getCurrentDir() = 0;//设置进程的当前工作目录virtual void setCurrentDir(const char *pathname) = 0;//使当前线程睡眠指定的毫秒数virtual void sleep(int msecs) = 0;//获取锁,成功将拥有这个锁(如果之前已获取这个锁,将增加引用计数)。//如果锁已经被其它线程拥有,调用线程将阻塞。//一个锁可以被同一线程多次获取,但释放也要匹配相同的次数,否则其它线程不能获取它virtual void lock(long lock) = 0;//尝试获取锁,成功将拥有这个锁。如果锁已经被其它线程拥有,立即返回falsevirtual bool trylock(long lock) = 0;//释放锁virtual void unlock(long lock) = 0;};
这个线程/进程管理接口最主要的就是支持线程的创建,进程的创建,以及调度。在这里调度的基本含义是指线程调度,因为线程已作为基本调度单位。
对这个接口类需要作些说明。THREAD_PROC是线程函数的原型定义。schedule()是调度函数。为何要把调度函数公开出来呢?因为这个模拟系统目前只支持共享方式的调度。也就是说,这个系统中的每个线程需要主动放弃控制权,好让其它线程有机会运行。假如有个线程不释放控制权,从来不调用schedule(),它就一直独占系统,以致其它线程没有机会执行。此种情况类似一些早期的系统,例如早期Windows系统。如果要实现抢先式调度,就要接管中断和中断处理,因为中断能打断当前程序(线程)的执行,在中断处理函数中可以实现调度。模拟程序目前没有寻到一个方法来支持抢先式调度。createProcess是支持创建进程的接口函数,目前它是简单原始的。我们还未实现从磁盘可执行文件加载和创建进程。至于sleep和线程锁,放在这里主要是展示对于线程调度技术的运用。
线程/进程管理类的实现
我通常会先选择一种简单的实现。如果时间允许,或者有了想法,再去改进或写各种变化的实现。这样的做法是常见的。这个模拟系统,适合作为一个学习和练习的场所。
所用到的一些结构
//存放进程相关信息的结构class ProcessInternalInfo{public: int processId; char currentDir[300]; ProcessInternalInfo();};//存放线程相关信息的结构class ThreadInternalInfo{public: //线程id及线程所属的进程id int processId; int threadId; //线程切换时对现场的保存和恢复,主要是栈顶指针(esp)和指令计数器(eip) int esp; int eip; //线程所使用的用户栈及其大小 char *stackBase; int stackSize; //字节 //线程函数及其参数 THREAD_PROC threadProc; void *parameter; //是否进程的主线程 bool isMainThread; //错误代码 int error; ThreadInternalInfo();};//内部堆栈,内部堆栈应该很小,因为只有thread wrapper function才用到struct InternalStack{ char stack[4*1024];};//锁的实现结构class Thread_Lock{public: long lock; int threadIndex; int refCount; Thread_Lock() { lock = 0; threadIndex = -1; refCount = 0; }};class Thread_Wait{public: int threadIndex; long lock; Thread_Wait() { threadIndex = -1; lock = 0; }};
管理实现类的定义
class ProcessManagerImpl : public ProcessManager{public:ProcessManagerImpl();virtual ~ProcessManagerImpl();//初始化bool initManageData();virtual int createProcess(THREAD_PROC mainThreadProc, void *parameter, int stackSizeInKB=1024, bool readyToRun=true);virtual int createThread(THREAD_PROC threadProc, void *parameter, int stackSizeInKB=1024, bool readyToRun=true);virtual void schedule();virtual int getCurrentProcessId();virtual int getCurrentThreadId();virtual const char *getCurrentDir();virtual void setCurrentDir(const char *pathname);virtual void sleep(int msecs);virtual void lock(long lock);virtual bool trylock(long lock);virtual void unlock(long lock);//运行第一个进程,进程id为0。使用程序当前的堆栈。int runProcess0(THREAD_PROC threadProc, void *parameter);void setError(int error);int getError();protected://这里采用数组和索引管理所有进程/线程ProcessInternalInfo *_pProcessInfo;ThreadInternalInfo *_pThreadInfo;//指向就绪线程队列int *_pThreadReady;//指向阻塞线程队列int *_pThreadBlock;//为每个线程分配一个内部栈。因为用户线程函数结束后,用户栈将被删除,//thread wrapper function不能依靠用户栈工作InternalStack *_pInternalStack;protected://释放相关资源void freeManageData();//查找未用的进程槽,返回索引。未找到返回-1。int find_free_process();//查找未用的线程槽,返回索引。未找到返回-1。int find_free_thread();//加入到就绪线程队列void addThreadReady(int threadIndex);//加入到阻塞线程队列void addThreadBlock(int threadIndex);//创建线程int create_thread(int processId, bool isMainThread, THREAD_PROC threadProc, void *parameter, int stackSizeInKB, bool readyToRun);//thread wrapper function//用户线程结束时要释放堆栈,并从调度队列中删除,所以需要一个对用户线程函数的包装static void thread_wrapper_func(ProcessManagerImpl *pImpl, int threadIndex);//从就绪线程队列中删除void removeReadyThread(int threadIndex);//从阻塞线程队列中删除void removeBlockThread(int threadIndex);//删除一个线程(重置对应的线程槽)void removeThread(int threadIndex);//删除一个进程(重置对应的进程槽)void removeProcess(int processIndex);//线程切换void threadSwitch(int *pCurrentESP, int *pCurrentEIP, int nextESP, int nextEIP);//系统死机 - 通常由于内部错误导致无法处理的情况,就进入这里void system_dead();//使当前线程睡眠,放入阻塞队列,然后切换到下一个线程void block();//唤醒一个线程,即从阻塞队列移除,放到就绪队列void wakeUp(int threadIndex);protected://对sleep的支持//所有由于调用sleep函数导致睡眠的,超时时间记录在这里,单位毫秒。int *_pThreadSleepTimeout;//检查看是否有线程的睡眠时间到了,把所有这样的线程唤醒void checkSleepTimeout();//对锁的支持Thread_Lock *_pThreadLock; //存放锁的数组int _threadLockCount;Thread_Wait *_pThreadWait; //等待锁的线程int _threadWaitCount;//查找锁,若找到返回在数组中的索引,未找到返回-1。int findLock(long lock);void removeLockByIndex(int lockIndex);void addWait(int threadIndex, long lock);//查找等待给定锁的线程,若找到,从等待中删除并返回线程号;若未找到返回-1。int removeWait(long lock);//对阻塞式文件读写的支持//线程由于等待事件而睡眠的,等待的事件存放在下面的数组中HANDLE *_pThreadEvent;//线程等待事件,可能进入睡眠,直到事件变为信号状态而被唤醒void waitEvent(HANDLE hEvent);//检查所有的等待事件,把这样的线程唤醒void checkThreadEvent();void removeThreadEvent(int threadIndex);friend class BlockedFileDisk;};
在这个实现中,我使用了一个数组来存放所有的进程对象(_pProcessInfo所指)。一个数组来存放所有的线程对象(pThreadInfo所指)。线程会阻塞或者就绪,_pThreadReady指向就绪队列,pThreadBlock指向阻塞队列。这两个队列的元素存的是线程对象索引。使用这个线程/进程管理类之前,先要把这些数据初始化,这通过调用initManageData()来达到。
构造和初始化
#define MAX_PROCESS_NUM 1024#define MAX_THREAD_NUM 2048#define MAX_LOCK_NUM 200ProcessInternalInfo::ProcessInternalInfo(){ processId = -1; //有效的进程id从0开始 memset(currentDir, 0 ,sizeof(currentDir)); strcpy(currentDir, "/");}ThreadInternalInfo::ThreadInternalInfo(){ processId = -1; threadId = -1; //有效的线程id从0开始 esp = 0; eip = 0; stackBase = NULL; stackSize = 0; threadProc = NULL; parameter = NULL; isMainThread = false; error = 0;}ProcessManagerImpl::ProcessManagerImpl(){ //改为明确调用 //initManageData();}ProcessManagerImpl::~ProcessManagerImpl(){ freeManageData();}bool ProcessManagerImpl::initManageData(){ _pProcessInfo = new ProcessInternalInfo [MAX_PROCESS_NUM]; if (!_pProcessInfo) return false; _pThreadInfo = new ThreadInternalInfo [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadInfo) return false; _pThreadReady = new int [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadReady) return false; for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) _pThreadReady[i] = -1; _pThreadBlock = new int [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadBlock) return false; for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) _pThreadBlock[i] = -1; _pInternalStack = new InternalStack [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pInternalStack) return false; _pThreadSleepTimeout = new int [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadSleepTimeout) return false; for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) _pThreadSleepTimeout[i] = -1; _pThreadLock = new Thread_Lock [MAX_LOCK_NUM]; if (!_pThreadLock) return false; _threadLockCount = 0; _pThreadWait = new Thread_Wait [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadWait) return false; _threadWaitCount = 0; _pThreadEvent = new HANDLE [MAX_THREAD_NUM]; if (!_pThreadEvent) return false; for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) _pThreadEvent[i] = INVALID_HANDLE_VALUE; return true;}void ProcessManagerImpl::freeManageData(){ delete [] _pThreadEvent; delete [] _pThreadWait; delete [] _pThreadLock; delete [] _pThreadSleepTimeout; delete [] _pInternalStack; delete [] _pThreadBlock; delete [] _pThreadReady; delete [] _pThreadInfo; delete [] _pProcessInfo;}
l 创建进程(createProcess)
进程创建实现
int ProcessManagerImpl::createProcess(THREAD_PROC mainThreadProc, void *parameter, int stackSizeInKB, bool readyToRun){ int freeProcessIndex = find_free_process(); if (freeProcessIndex == -1) return 0; ProcessInternalInfo processInfo; processInfo.processId = freeProcessIndex; int threadIndex = create_thread(freeProcessIndex, true, mainThreadProc, parameter, stackSizeInKB, readyToRun); if (threadIndex == 0) return 0; _pProcessInfo[freeProcessIndex] = processInfo; return freeProcessIndex;}
目前对进程的支持比较简单。这不是一个完整的进程创建过程,因为它假定进程的程序代码已经在内存中了。首先find_free_process查找进程数组,找到一个空闲槽,接着创建这个进程的主线程,成功地话就占用那个进程槽。这样一个进程就算建立了。如果此进程打算使用多个线程,它可以调用createThread创建其它线程。
l 创建线程(createThread)
线程创建实现
int ProcessManagerImpl::createThread(THREAD_PROC threadProc, void *parameter, int stackSizeInKB, bool readyToRun){ int processId = getCurrentProcessId(); return create_thread(processId, false, threadProc, parameter, stackSizeInKB, readyToRun);}int ProcessManagerImpl::create_thread(int processId, bool isMainThread, THREAD_PROC threadProc, void *parameter, int stackSizeInKB, bool readyToRun){ if (stackSizeInKB < 0) return 0; if (stackSizeInKB == 0) stackSizeInKB = 1024; int freeThreadIndex = find_free_thread(); if (freeThreadIndex == -1) return 0; //申请用户栈空间 int stackSizeInByte = stackSizeInKB * 1024; char *pStack = new char [stackSizeInByte]; //char *pStack = (char *)GetMemoryManager()->alloc(stackSizeInByte); if (pStack == NULL) return 0; ThreadInternalInfo threadInfo; threadInfo.processId = processId; threadInfo.threadId = freeThreadIndex; threadInfo.stackBase = pStack; threadInfo.stackSize = stackSizeInByte; threadInfo.threadProc = threadProc; threadInfo.parameter = parameter; threadInfo.isMainThread = isMainThread; //准备线程初始的esp和eip,eip指向线程wrapper函数的入口地址, esp指向内部栈 //由于线程wrapper函数需要两个参数,按照C调用约定,从右到左把这两个参数压入栈, //另外函数返回地址也要占去4个字节,故esp为栈顶减去12个字节。 void (*thread_wrapper_func_ptr)(ProcessManagerImpl *, int); thread_wrapper_func_ptr = &thread_wrapper_func; threadInfo.eip = (int)thread_wrapper_func_ptr; threadInfo.esp = (int)(_pInternalStack[freeThreadIndex].stack + sizeof(_pInternalStack[freeThreadIndex].stack) - 12); ProcessManagerImpl **ppImpl = (ProcessManagerImpl **)(threadInfo.esp + 4); *ppImpl = this; int *pInt = (int *)(threadInfo.esp + 8); *pInt = freeThreadIndex; _pThreadInfo[freeThreadIndex] = threadInfo; //新线程加入就绪队列 if (readyToRun) addThreadReady(freeThreadIndex); else addThreadBlock(freeThreadIndex); return freeThreadIndex;}
创建线程的主要工作在create_thread()中完成。基本过程是:找到一个空闲线程槽,创建用户堆栈,初始化线程数据结构。线程数据结构中特别需要说明的是eip和esp的初始赋值:eip指向线程的入口代码,esp指向线程的堆栈。当调度运行这个线程时,就将跳到eip所指向的地址,同时将堆栈寄存器设置为esp的值。那么eip和esp的初始值分别是什么呢?一个自然的想法是:eip指向用户线程函数threadProc,esp指向用户堆栈。但这样的话,线程运行结束后,线程所用的资源(例如用户堆栈)在哪里释放呢?它既然运行结束,就应该把控制权转移给其它线程,在哪里把控制权转移呢?思考这些问题的结果是:需要一个线程包装函数,在用户线程函数的前后做这些工作。当线程运行结束后,用户堆栈将被释放,因此我使用线程的一个内部堆栈,在内部堆栈上做这些收尾工作。内部堆栈通常1K到4K就够了。如此看来,eip应该指向用户线程函数的包装函数,esp指向线程内部栈。
线程包装函数
//thread wrapper function//用户线程结束时要释放堆栈,并从调度队列中删除,所以需要一个对用户线程函数的包装//注意:由于内部堆栈很小,要小心,建议不要调用什么C库函数,例如printfvoid ProcessManagerImpl::thread_wrapper_func(ProcessManagerImpl *pImpl, int threadIndex){ ThreadInternalInfo threadInfo = pImpl->_pThreadInfo[threadIndex]; THREAD_PROC threadProc = threadInfo.threadProc; void *parameter = threadInfo.parameter; int userESP = (int)(threadInfo.stackBase + threadInfo.stackSize); int oldESP; //接下来切换到用户堆栈 __asm { mov eax,esp mov oldESP,eax mov eax,userESP mov esp,eax } //执行用户线程函数 threadProc(parameter); //函数调用完成之后,通常ebp是不会改变,对局部变量的访问仍然有效 //恢复到内部堆栈 _asm { mov eax,oldESP mov esp,eax } //线程函数执行完毕,从就绪队列中移去,从线程队列中也移去 pImpl->removeReadyThread(threadIndex); pImpl->removeThread(threadIndex); //如果是主线程,则释放该进程的一切资源,包括属于该进程的所有线程 if (threadInfo.isMainThread) { int processId = threadInfo.processId; for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (pImpl->_pThreadInfo[i].processId == processId) { //将该线程从阻塞或是就绪就列中删除 pImpl->removeReadyThread(i); pImpl->removeBlockThread(i); pImpl->removeThreadEvent(i); pImpl->removeThread(i); } } pImpl->removeProcess(processId); } //找到下一个就绪线程,成为当前并切过去 //如果有线程由于调用sleep进入休眠的,检查和唤醒之 pImpl->checkSleepTimeout(); pImpl->checkThreadEvent(); int currentThreadIndex = pImpl->_pThreadReady[0]; if (currentThreadIndex != -1) { int currentESP = pImpl->_pThreadInfo[currentThreadIndex].esp; int currentEIP = pImpl->_pThreadInfo[currentThreadIndex].eip; //切过去 __asm { //restore ESP mov eax,currentESP mov esp,eax //Restore EIP mov eax,currentEIP push eax ret } } else { //就绪队列为空,这应该不会发生,因为Process0总会存在 pImpl->system_dead(); }}
在这个线程包装函数中,需要注意的一点,就是执行用户线程函数threadProc前后堆栈的改变。执行threadProc前堆栈改为用户堆栈,执行threadProc后堆栈恢复为内部堆栈。接下来对这个线程资源的释放都在内部堆栈上进行。
l 调度函数(schedule)
调度函数实现
void ProcessManagerImpl::schedule(){ //由于线程需要主动让出CPU,让其它线程有机会执行,故在调度上按均等机会处理 //做法是:查找下一个就绪线程,把它提为当前线程,原来的线程移到就绪队列末尾 //如果没有下一个就绪线程,则立即返回,继续执行当前线程 //如果有线程由于调用sleep进入休眠的,检查和唤醒之 checkSleepTimeout(); checkThreadEvent(); int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int nextThreadIndex = _pThreadReady[1]; if (nextThreadIndex == -1) return; //下一个就绪线程提为当前 int i; for (i = 1; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (_pThreadReady[i] != -1) _pThreadReady[i-1] = _pThreadReady[i]; else break; } _pThreadReady[i-1] = currentThreadIndex; //准备切换,切换时主要保存EBP(栈帧指针)、ESP(当前栈指针)和EIP(指令计数器), //并要修改ESP和EIP,对ESP的修改,不影响对于局部变量的访问(因为是通过EBP进行的) int *pCurrentESP = &(_pThreadInfo[currentThreadIndex].esp); int *pCurrentEIP = &(_pThreadInfo[currentThreadIndex].eip); int nextESP = _pThreadInfo[nextThreadIndex].esp; int nextEIP = _pThreadInfo[nextThreadIndex].eip; threadSwitch(pCurrentESP,pCurrentEIP,nextESP,nextEIP);}
就绪线程队列的首个元素(下标为0),就指向当前线程。由于这个模拟系统是共享式调度,所以简单地采用顺序调度的方式切到下一个线程,原先的线程就移到就绪队列的末尾。完成切换的代码就是前面我们介绍过的threadSwitch函数。也可以实现其它调度算法,例如如果线程有优先级,可以实现基于优先级的调度算法。
l 其它函数
下面列出了线程/进程管理类的一些其它函数,其中多数是辅助实现函数。
一些其它函数
//获取当前进程的id。int ProcessManagerImpl::getCurrentProcessId(){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; return _pThreadInfo[currentThreadIndex].processId;}//获取当前线程的id。int ProcessManagerImpl::getCurrentThreadId(){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; return currentThreadIndex;}//获取进程的当前工作路径const char *ProcessManagerImpl::getCurrentDir(){ int processIndex = getCurrentProcessId(); return _pProcessInfo[processIndex].currentDir;}//设置进程的当前工作目录void ProcessManagerImpl::setCurrentDir(const char *pathname){ int processIndex = getCurrentProcessId(); ProcessInternalInfo *process = _pProcessInfo + processIndex; strncpy(process->currentDir, pathname, sizeof(process->currentDir)-1);}//查找未用的进程槽,返回索引。未找到返回-1。int ProcessManagerImpl::find_free_process(){ for (int i = 0; i < MAX_PROCESS_NUM; i++) { ProcessInternalInfo processInfo = _pProcessInfo[i]; if (processInfo.processId == -1) return i; } return -1;}//查找未用的线程槽,返回索引。未找到返回-1。int ProcessManagerImpl::find_free_thread(){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { ThreadInternalInfo threadInfo = _pThreadInfo[i]; if (threadInfo.threadId == -1) return i; } return -1;}//加入到就绪线程队列void ProcessManagerImpl::addThreadReady(int threadIndex){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (_pThreadReady[i] == -1) { _pThreadReady[i] = threadIndex; return; } }}//加入到阻塞线程队列void ProcessManagerImpl::addThreadBlock(int threadIndex){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (_pThreadBlock[i] == -1) { _pThreadBlock[i] = threadIndex; return; } }}//从就绪线程队列中删除void ProcessManagerImpl::removeReadyThread(int threadIndex){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (_pThreadReady[i] == threadIndex) { int k; for (k = i; k < MAX_THREAD_NUM-1; k++) { _pThreadReady[k] = _pThreadReady[k+1]; } _pThreadReady[k]=-1; break; } }}//从阻塞线程队列中删除void ProcessManagerImpl::removeBlockThread(int threadIndex){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { if (_pThreadBlock[i] == threadIndex) { int k; for (k = i; k < MAX_THREAD_NUM-1; k++) { _pThreadBlock[k] = _pThreadBlock[k+1]; } _pThreadBlock[k]=-1; break; } }}//删除一个线程(重置对应的线程槽)void ProcessManagerImpl::removeThread(int threadIndex){ //释放线程的堆栈 char *pStack = _pThreadInfo[threadIndex].stackBase; delete [] pStack; //GetMemoryManager()->free(pStack); //线程槽数据复位,相当于删除了这个线程 ThreadInternalInfo threadInfo; _pThreadInfo[threadIndex] = threadInfo;}//删除一个进程(重置对应的进程槽)void ProcessManagerImpl::removeProcess(int processIndex){ ProcessInternalInfo processInfo; _pProcessInfo[processIndex] = processInfo;}//系统死机 - 通常由于内部错误导致无法处理的情况,就进入这里void ProcessManagerImpl::system_dead(){ //这里的打印有待改进,因为可能在内部栈上调用,内部栈不够printf使用... printf("\nSorry, system is dead"); for (;;) ;}//线程等待事件,可能进入睡眠,直到事件变为信号状态而被唤醒void ProcessManagerImpl::waitEvent(HANDLE hEvent){ int teststate = WaitForSingleObject(hEvent, 0); if (teststate == WAIT_FAILED)//出错,可能句柄无效 return; if (teststate == WAIT_OBJECT_0)//已经是有信号状态 return; int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; _pThreadEvent[currentThreadIndex] = hEvent; block();}//检查所有的等待事件,把这样的线程唤醒void ProcessManagerImpl::checkThreadEvent(){ for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { HANDLE hEvent = _pThreadEvent[i]; if (hEvent != INVALID_HANDLE_VALUE) { int teststate = WaitForSingleObject(hEvent,0); if (teststate == WAIT_OBJECT_0) { wakeUp(i); _pThreadEvent[i] = INVALID_HANDLE_VALUE;//清除事件 } } }}void ProcessManagerImpl::removeThreadEvent(int threadIndex){ _pThreadEvent[threadIndex] = INVALID_HANDLE_VALUE;}//使当前线程睡眠,放入阻塞队列,然后切换到下一个线程void ProcessManagerImpl::block(){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int nextThreadIndex = _pThreadReady[1]; if (nextThreadIndex != -1) { removeReadyThread(currentThreadIndex); addThreadBlock(currentThreadIndex); //切换到下一个线程(成为当前) int *pCurrentESP = &(_pThreadInfo[currentThreadIndex].esp); int *pCurrentEIP = &(_pThreadInfo[currentThreadIndex].eip); int nextESP = _pThreadInfo[nextThreadIndex].esp; int nextEIP = _pThreadInfo[nextThreadIndex].eip; threadSwitch(pCurrentESP,pCurrentEIP,nextESP,nextEIP); } else { //没有下一个可调度的线程,这种情况应该不会发生, //因为process0总是存在,而且process0也不能调用导致阻塞的函数 system_dead(); }}//唤醒一个线程,即从阻塞队列移除,放到就绪队列void ProcessManagerImpl::wakeUp(int threadIndex){ removeBlockThread(threadIndex); addThreadReady(threadIndex);}//如果模拟系统还没有起来,就设置/获取错误代码,错误代码放在这里static int _error;//设置错误代码(最近一次系统调用)//一些系统调用(如文件系统调用)出错时需要设置错误代码,使用户得知具体错误原因。void ProcessManagerImpl::setError(int error){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; if (currentThreadIndex != -1) _pThreadInfo[currentThreadIndex].error = error; else _error = error;}//取得错误代码int ProcessManagerImpl::getError(){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int error; if (currentThreadIndex != -1) error = _pThreadInfo[currentThreadIndex].error; else error = _error; return error;}
l sleep的实现
sleep是一个常见的系统调用。在多任务系统中,其基本的含义就是挂起当前的进程/线程,把控制权交还系统。过了指定的一段时间后,由系统唤醒这个进程/线程。现在我们在模拟系统中实现sleep调用。由于模拟系统的共享式调度特点,决定了sleep的实现虽然尽力,却不能保证睡眠时间的精确性。在共享方式调度下,有几个机会控制权会交还给系统。一个是线程主动调用schedule()的时候,一个是线程运行结束的时候。模拟系统只有在这不多的机会里检查系统时间,以确定是否唤醒那些调用sleep进入阻塞的线程。检查时间的函数是checkSleepTimeout(),这个函数在shcedule()和thread_wrapper_func()里都被调用了。sleep的实现:计算和设置超时时间,然后调用block()挂起当前线程,即把此线程从就绪队列移到阻塞队列,然后切换到下一个就绪线程。checkSleepTimeout()的实现:检查线程的sleep超时时间值,若已到达,调用wakeUp()将此线程唤醒,即从阻塞队列移到就绪队列。
sleep的实现
//使当前线程睡眠指定的毫秒数void ProcessManagerImpl::sleep(int msecs){ if (msecs <= 0) return; int sleepExpiredTickCount = GetTickCount() + msecs; if (sleepExpiredTickCount <= 0) return; //把当前线程移到阻塞队列中,同时设置超时时间 int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; _pThreadSleepTimeout[currentThreadIndex] = sleepExpiredTickCount; block();}//检查看是否有线程的睡眠时间到了,把所有这样的线程唤醒void ProcessManagerImpl::checkSleepTimeout(){ DWORD dwCurrentTickCount = GetTickCount(); for (int i = 0; i < MAX_THREAD_NUM; i++) { int sleepExpiredTickCount = _pThreadSleepTimeout[i]; if (sleepExpiredTickCount != -1 && dwCurrentTickCount >= sleepExpiredTickCount) { //唤醒这个线程,具体就是将此线程从阻塞队列移到就绪队列 wakeUp(i); _pThreadSleepTimeout[i] = -1; //超时值复位 } }}
l 锁的实现
在多任务系统中,互斥锁也是常见的。作为示例,这里实现了一种可重入的互斥锁。可重入是指如果获得一个锁的线程再次获取这个锁,也将成功,只是增加引用计数。在这个实现中,简单地用一个整数来代表一个锁,并简单地用两个数组来分别管理所有的锁和等待队列,请参考线程/进程实现类中的定义。lock()的实现:若这个锁被其它线程占用,就阻塞,否则获得它或者增加引用计数(如果之前已获得)。trylock()与lock相似,只是若发现锁被其它线程占用,就立即返回,否则占用这个锁。trylock()是一个不会阻塞的调用。unlock()的实现:锁的引用计数减一,如果已到0,就唤醒一个等待的线程(如果有),此线程将是该锁的新的拥有者。
锁的实现
void ProcessManagerImpl::lock(long lock){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int lockIndex = findLock(lock); if (lockIndex != -1) { Thread_Lock theLock = _pThreadLock[lockIndex]; if (currentThreadIndex != theLock.threadIndex) { //其它线程拥有这个锁,当前线程只能阻塞 addWait(currentThreadIndex, lock); block(); //从阻塞中恢复,已经拥有这个锁了 } else { //之前已获取过这个锁,引用数加1 theLock.refCount++; _pThreadLock[lockIndex] = theLock; } } else { //获得这个锁,继续运行 if (_threadLockCount < MAX_LOCK_NUM) { Thread_Lock theLock; theLock.lock = lock; theLock.threadIndex = currentThreadIndex; theLock.refCount = 1; _pThreadLock[_threadLockCount] = theLock; _threadLockCount++; } }}//查找锁,若找到返回在数组中的索引,未找到返回-1。int ProcessManagerImpl::findLock(long lock){ for (int i = 0; i < _threadLockCount; i++) { Thread_Lock theLock = _pThreadLock[i]; if (theLock.lock == lock) return i; } return -1;}void ProcessManagerImpl::removeLockByIndex(int lockIndex){ for (int i = lockIndex; i < _threadLockCount-1; i++) { _pThreadLock[i] = _pThreadLock[i+1]; } _threadLockCount--;}void ProcessManagerImpl::addWait(int threadIndex, long lock){ Thread_Wait wait; wait.threadIndex = threadIndex; wait.lock = lock; _pThreadWait[_threadWaitCount] = wait; _threadWaitCount++;}bool ProcessManagerImpl::trylock(long lock){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int lockIndex = findLock(lock); if (lockIndex != -1) { Thread_Lock theLock = _pThreadLock[lockIndex]; if (currentThreadIndex != theLock.threadIndex) { //其它线程拥有这个锁 return false; } else { //之前已获取过这个锁,引用数加1 theLock.refCount++; _pThreadLock[lockIndex] = theLock; return true; } } else { //获得这个锁,继续运行 if (_threadLockCount < MAX_LOCK_NUM) { Thread_Lock theLock; theLock.lock = lock; theLock.threadIndex = currentThreadIndex; theLock.refCount = 1; _pThreadLock[_threadLockCount] = theLock; _threadLockCount++; return true; } } return false;}void ProcessManagerImpl::unlock(long lock){ int currentThreadIndex = _pThreadReady[0]; int lockIndex = findLock(lock); if (lockIndex != -1) { Thread_Lock theLock = _pThreadLock[lockIndex]; if (currentThreadIndex == theLock.threadIndex) { theLock.refCount--; if (theLock.refCount <= 0) { int waitThreadIndex = removeWait(lock); if (waitThreadIndex != -1) { //唤醒这个等待的线程 theLock.threadIndex = waitThreadIndex; theLock.refCount = 1; _pThreadLock[lockIndex] = theLock; wakeUp(waitThreadIndex); } else { //没有其它线程等待这个锁,删除它 removeLockByIndex(lockIndex); } } else { _pThreadLock[lockIndex] = theLock; } } else { //当前线程不拥有这个锁 return; } } else { //锁不存在 return; }}//查找等待给定锁的线程,若找到,从等待中删除并返回线程号;若未找到返回-1。int ProcessManagerImpl::removeWait(long lock){ int i; for (i = 0; i < _threadWaitCount; i++) { if (_pThreadWait[i].lock == lock) { int threadIndex = _pThreadWait[i].threadIndex; //删除这个元素(后续前移) for (int k = i; k < _threadWaitCount-1; k++) { _pThreadWait[k] = _pThreadWait[k+1]; } _threadWaitCount--; return threadIndex; } } return -1;}
多线程/进程测试运行
l 进入模拟多线程环境
我们的模拟程序通常作为宿主机上的一个进程来运行。当模拟系统启动时,从main函数开始运行。 main函数使用宿主系统提供的堆栈。我们就在main函数中创建模拟系统的第一个进程,这个进程的id为0。为此,线程/进程管理实现类提供了一个runProcess0函数,这个函数创建模拟系统中的第一个可调度进程,并立刻运行它。
runProcess0函数
//运行第一个进程,进程id为0。使用程序当前的堆栈。int ProcessManagerImpl::runProcess0(THREAD_PROC threadProc, void *parameter){ //第一个进程/线程,进程/线程号应该为0 int freeProcessIndex = find_free_process(); if (freeProcessIndex != 0) return -1; int freeThreadIndex = find_free_thread(); if (freeThreadIndex != 0) return -1; ProcessInternalInfo processInfo; processInfo.processId = freeProcessIndex; ThreadInternalInfo threadInfo; threadInfo.processId = freeProcessIndex; threadInfo.threadId = freeThreadIndex; //我们把stackBase设为NULL,表示使用程序当前的栈 threadInfo.stackBase = NULL; threadInfo.stackSize = 0; threadInfo.threadProc = threadProc; threadInfo.parameter = parameter; //不必准备线程初始的esp和eip,因为下面即刻转去执行 _pProcessInfo[freeProcessIndex] = processInfo; _pThreadInfo[freeThreadIndex] = threadInfo; //新线程加入就绪队列 addThreadReady(freeThreadIndex); int ret = threadProc(parameter); return ret;}
这个函数与createProcess相似,所不同的是它不必为第一个进程/线程创建堆栈,而是直接用模拟程序的堆栈。另外不必初始化线程数据结构中的esp和eip,因为第一个线程是马上运行的。runProcess0()的效果是将模拟系统的(宿主机)主线程平滑地变成模拟系统中的一个进程/线程,而且是第一个。现在我们可以写出main函数的一个简单框架。
main函数的框架
ProcessManagerImpl *_process_manager;//进程0的主线程函数int thread0_proc(void *parameter){ return 0;}int main(int argc, char *argv[]){ if (!init()) return -1; //运行进程0 int ret = _process_manager->runProcess0(thread0_proc, NULL); unInit(); return ret;}
main函数的框架一目了然,在init中做一些初始化工作之后,就运行第一个进程。第一个进程负责产生其它的进程。第一个进程退出时,模拟系统就退出了,unInit完成清理工作。这里第一个线程函数thread0_proc还没有做任何事,似乎没有用处,但在示例代码中将给出一些测试例子。
l 使用自己的内存管理
内存管理通常都是系统的一个基本任务。这个模拟系统也实现了简单内存管理,参见后面的内存管理部分。模拟系统可以使用宿主系统提供的内存管理,也可以使用自己的内存管理。为了使用自己的内存管理,我们重载C++的new和delete运算符,使得对内存的分配和释放操作都是在一块我们管理的内存上进行。
重载new和delete
extern MemoryManager *_memory_manager;void *operator new(size_t size){ return _memory_manager->alloc(size);}void operator delete(void *p){ _memory_manager->free(p);}
l 示例代码
示例代码1
static MemoryManagerImpl _memory_manager_impl;MemoryManager *_memory_manager;ProcessManagerImpl *_process_manager;bool init(){ int managed_memory_size = 30 * 1024 * 1024; _memory_manager_impl.setManagedMemory(managed_memory_size); _memory_manager = &_memory_manager_impl; _process_manager = new ProcessManagerImpl; return _process_manager->initManageData();}void unInit(){ delete _process_manager;}//进程1的主线程函数int process1_thread1(void *parameter){ while (1) { int processId = _process_manager->getCurrentProcessId(); int threadId =_process_manager->getCurrentThreadId(); printf("in process %d, thread %d\n", processId, threadId); //Sleep(500); _process_manager->schedule(); } return 0;}//进程0的主线程函数int thread0_proc(void *parameter){ printf("\npress any key to start\n"); getch(); int processId = _process_manager->createProcess(process1_thread1, NULL); while (1) { printf("in process0\n"); _process_manager->schedule(); } return 0;}
这个例子中使用了自己的内存管理,由于new和delete被重载了,内存管理对象自身(_memory_manager_impl)不能通过new创建,所以使用了一个静态对象。在init函数中初始化了内存管理类,此后所有涉及的内存申请和释放操作,都将在这块被管理的内存上进行。然后初始化了线程/进程管理类。
这个例子演示了线程之间的切换。我们来看进程0的主线程函数。进程0只有这一个线程。它调用createProcess创建了进程1,然后进入一个循环。这里是一个无限循环,但你可以改为一个有条件的循环,比如循环一定次数,以测试模拟系统是否正常退出。在这个循环里,它调用了schedule,以便把控制权交给其它线程。再来看进程1的主线程函数,它里面也是一个循环,同样你可以修改循环条件,以观察或调试线程的退出。它也是调用schedule交出控制权。运行这里的示例,结果如下:
in process0
in process 1, thread 1
in process0
in process 1, thread 1
in process0
in process 1, thread 1
....
如此我们看到线程之间不停地切换。因为屏幕刷新太快,可以加个延时操作,请把thread1中被注释的本地延时函数Sleep恢复(Sleep是Win32的一个调用),就可以看到延迟的效果。我们可以稍微修改上面的代码,让一个进程有多个线程,并测试sleep和锁。
示例代码2
int process1_thread2(void *parameter){ while (1) { printf("in process1_thread2\n"); _process_manager->sleep(30); } return 0;}int process1_thread1(void *parameter){ int threadId = _process_manager->createThread(process1_thread2, NULL); while (1) { int processId = _process_manager->getCurrentProcessId(); int threadId =_process_manager->getCurrentThreadId(); printf("in process %d, thread %d\n", processId, threadId); _process_manager->sleep(50); } return 0;}
这个例子中,进程1的主线程中,通过createThread创建了另一个线程。这样进程1就有两个线程了。这两个线程不再调用shcedule(),而是调用sleep()函数。运行这个例子,就会看到系统中有三个线程都在运行。有一点请注意,不要在thread0中调用sleep或其它导致阻塞的函数,免得模拟系统遇到没有线程可以调度的情况。至于线程锁,可以类似写些测试代码,包括测试线程之间的死锁,这里不再多说了。
内存管理
内存管理向来是操作系统的一个基本任务。我们的模拟系统当前只实现了简单的内存管理。它的目标是管理向宿主机系统申请的一块内存,把它看作是模拟系统的可分配内存空间,满足在这个内存空间上的申请和释放操作。
内存管理接口
内存管理接口定义
class MemoryManager{public://申请一块内存,size为申请的字节数virtual void *alloc(int size) = 0;//释放先前申请的内存virtual void free(void *memblock) = 0;};
一个简单的实现
下面是内存管理的一个简单实现。其基本思路是用一些控制块来管理内存的分配。每一块已分配的内存,都有一个控制块(Mem_Ctrl_Block),指出这块已分配内存的大小。为了简单,控制块与已分配内存块紧挨在一起,且在已分配内存块的前面。控制块中有个指针,指向下一个已分配内存的控制块。这样,所有已分配内存的控制块,由低地址往高地址形成了一个单向链表。分配内存的时候,先找链表的两头,看看有无够用空闲内存。若没有就顺着链表,依次看两个控制块之间,有无足够空闲内存用来分配。若找到就建立一个控制块,或插入到链表中,或放到链表的头或尾。释放一块已分配内存的时候,就寻找相应的控制块,找到就从链表中删除。
内存管理实现类的定义
class MemoryManagerImpl : public MemoryManager{public:MemoryManagerImpl();virtual ~MemoryManagerImpl();//设置被管理的内存大小,这块内存可以从外面传入。//如果memory为NULL,这块内存将内部申请。void setManagedMemory(int size, void *memory = NULL);int getManagedSize() const;//申请一块内存,size为申请的字节数virtual void *alloc(int size);//释放先前申请的内存virtual void free(void *memblock);protected:struct Mem_Ctrl_Block{ int reserved; int size; void *next; //按地址顺序指向下一个Mem_Ctrl_Block};void *memory_to_manage;int size_to_manage;bool memory_need_free;//指向第一块已分配的内存Mem_Ctrl_Block *first_mem_block;//指向最后一块已分配的内存Mem_Ctrl_Block *last_mem_block;}
内存管理类的实现
MemoryManagerImpl::MemoryManagerImpl(){ memory_to_manage = NULL; size_to_manage = 0; first_mem_block = NULL; last_mem_block = NULL; memory_need_free = false;}MemoryManagerImpl::~MemoryManagerImpl(){ if (memory_need_free) ::free(memory_to_manage);}void MemoryManagerImpl::setManagedMemory(int size, void *memory){ if (memory == NULL) { memory_to_manage = ::malloc(size); memory_need_free = true; } else { memory_to_manage = memory; memory_need_free = false; } size_to_manage = size;}int MemoryManagerImpl::getManagedSize() const{ return size_to_manage;}//申请一块内存,size为申请的字节数void *MemoryManagerImpl::alloc(int size){ //在下面的分配实现中,控制节点与返回给用户的内存挨在一起 //(在用户内存的前面就是控制节点) //检查大小是否合理。这个检查也为了防止计算溢出错误 if (size < 0 || size > size_to_manage) return NULL; int need_size = sizeof(Mem_Ctrl_Block) +size; if (need_size < 0) return NULL; if (first_mem_block == NULL) { if (need_size <= size_to_manage) { first_mem_block = (Mem_Ctrl_Block *)memory_to_manage; first_mem_block->size = size; first_mem_block->next = NULL; last_mem_block = first_mem_block; return (char *)first_mem_block + sizeof(Mem_Ctrl_Block); } else return NULL; } //检查第一个已分配的内存块之前有无足够空闲空间,若有,直接分配 if (first_mem_block != memory_to_manage && (need_size <= (char *)first_mem_block - (char *)memory_to_manage)) { Mem_Ctrl_Block *new_first = (Mem_Ctrl_Block *)memory_to_manage; new_first->size = size; new_first->next = first_mem_block; first_mem_block = new_first; return (char *)first_mem_block + sizeof(Mem_Ctrl_Block); } //检查最后一个已分配的内存块之后有无足够空闲空间,若有,直接分配 Mem_Ctrl_Block *after_last = (Mem_Ctrl_Block *)((char *)last_mem_block+ sizeof(Mem_Ctrl_Block) + last_mem_block->size); if ( need_size <= ((char *)memory_to_manage + size_to_manage - (char *)after_last)) { //Ok,有足够空闲内存 after_last->size = size; after_last->next = NULL; last_mem_block->next = after_last; last_mem_block = after_last; return (char *)last_mem_block + sizeof(Mem_Ctrl_Block); } //沿着已分配的内存块链表搜索下去,查找两个块中间有足够大的空闲可以分配 Mem_Ctrl_Block *current = first_mem_block; while (current != last_mem_block) { Mem_Ctrl_Block *next_block = (Mem_Ctrl_Block *)current->next; Mem_Ctrl_Block *after_current = (Mem_Ctrl_Block *)((char *)current+ sizeof(Mem_Ctrl_Block) + current->size); if (need_size <= (char *)next_block - (char *)after_current) { //Ok, 两个已分配块之间有足够的空闲内存,可以分配 after_current->next = next_block; after_current->size = size; current->next = after_current; return (char *)after_current + sizeof(Mem_Ctrl_Block); } else current = next_block; } return NULL;}//释放先前申请的内存void MemoryManagerImpl::free(void *memblock){ if (first_mem_block == NULL) return; if ((char *)first_mem_block + sizeof(Mem_Ctrl_Block) == memblock) { //释放第一个块 Mem_Ctrl_Block *old_first = first_mem_block; first_mem_block = (Mem_Ctrl_Block *)first_mem_block->next; old_first->next = NULL; //这一句为冗余 if (last_mem_block == old_first) last_mem_block = NULL; return; } //沿着已分配的内存块链表搜索下去,直到找到给定的内存块 Mem_Ctrl_Block *current = first_mem_block; while (current->next) { Mem_Ctrl_Block *next = (Mem_Ctrl_Block *)current->next; if ((char *)next + sizeof(Mem_Ctrl_Block) == memblock) { //将内存块节点从链表中删除,完成释放 current->next = next->next; next->next = NULL;//这一句为冗余 if (last_mem_block == next) last_mem_block = current; return; } current = next; }}
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