C程序中的存储分配

C程序中的存储分配

(刘爱贵 - Aiguille.LIU)

　　C程序设计中，经常需要使用malloc/free动态管理内存，在需要的时候向操作系统申请空间，适合的时候释放不再使用的空间。那么，C库中malloc/free是如何实现的呢？参考"The C Programming Language"，我们设计了自己的存储分配程序。

　　由于程序中某些地方可能不通过malloc调用申请空间，因此，malloc管理的空间不一下是连续的。这样，空闲存储空间以空闲链表的方式组织，每个块包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身的存储空间的指针。这些块按照存储地址的升序组织，最后一块指向第一块。
　　
　　当有申请请求时，malloc将扫描空闲块链表，直到找到一个足够大的块为止。这种算法称为“首次适应(first fit)”。与之相对的算法是“最佳适应(best fit)”，它寻找满足条件的最小块。如果该块恰好与请求的大小相符合，则将它从链表中移走并返回用户。如果该块太大，则将它分成两部分：大小合适的块返回给用户，剩下的部分留在空闲块链表中。如果找不到一个足够大的块，则向操作系统申请一个大块并加入到空闲块链表中。

　　释放过程也是首先搜索空闲块链表，以找到可以插入被释放块的合适位置。如果与被释放块相邻的任一边是一个空闲块，则将这两个块合成一个更大的块，这样存储空间不会有太多的碎片。因为空闲块链表是以地址的递增顺序链接在一起的，所以很容易判断相相邻的块是否空闲。

　　malloc函数返回的存储空闲要求满足将要保存的对象的对齐要求。虽然机器类型各异，但是，每个特定的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。在某些机器中，最受限的类型是double；而在另外一些机器中，最受限的类型是int或long类型。

　　下面的my_malloc.c程序，简化了块的对齐，所有块的大小都是头部大小的整数倍，且头部已正确地对齐。空闲块开始处的控制信息称为“头部”。假定long类型为最受限的类型：

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

#define NALLOC 1024　/* 最小申请单元数 */

typedef long Align;  /**//* 按照long类型的边界对齐 */

union header         /**//* 块的头部 */
...{
  struct ...{
    union header *ptr;    /**//* 空闲块的链表的下一块 */
    unsigned size;    /**//* 本块的大小 */
  }s;
  Align x;        /**//* 强制块的对齐 */
};

typedef union header Header;

static Header base;        /**//* 从空链表开始 */
static Header *freep = NULL;    /**//* 空闲链表的初始指针 */

/**//* free 函数：将块ap放入空闲块链表中 */
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;        /**//* 被释放的块在链表的开头或未尾 */

  if ( bp + bp->s.size == p->s.ptr) ...{    /**//* 与上一相邻块合并 */
    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) ...{        /**//* 与下一相邻块合并 */
    p->s.size +=bp->s.size;
    p ->s.ptr = bp ->s.ptr;
  } else
    p->s.ptr = bp;
  freep = p;
}

/**//* morecore: 向系统申请更多的存储空间 */
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)    /**//* 没有空闲空间 */
    return NULL;
  up = (Header *) cp;
  up ->s.size = nu;
  free ((void*)(up+1));
  return freep;
}

/**//* mumalloc: 存储分配函数 */
void *mymalloc (unsigned nbytes)
...{
  Header *p, *prevp;
  Header *morecore(unsigned);
  unsigned nunits;

  nunits = (nbytes +sizeof(Header)-1)/sizeof(Header)+1;
  if ((prevp = freep)==NULL) ...{    /**//* 没有空闲链表 */
    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) ...{    /**//* 足够大 */
      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)    /**//* 闭环的空闲链表 */
      if ((p = morecore(nunits)) ==NULL)
        return NULL;    /**//* 没有剩余的存储空间 */
  }
}

/**//* 主函数：测试mymalloc函数 */
int main(void)
...{
  char * p ;

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

更详细的程序说明请直接参考"The C Programming Language"一书162 ~ 166页。