Dynamic Memory Allocate(动态内存分配)

刚刚写完malloc的小伙伴估计现在还心有余悸~ 不过写完以后在看书，你会发现书上的东西很简单。

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介绍

动态内存分配：在程序运行时给相应变量分配内存。因为在很多时候我们只有在运行的时候才知道内存，提前分配要么就会太大，浪费了空间；要么就是太小，信息存放不下。动态内存是存在于堆空间上的。

动态内存分配器分为显式和隐式，并且在管理的时候把内存分成固定的块。显示的如malloc，new，需要自己申请和释放。隐式的如java中的垃圾回收。

在内存中，动态内存分配区域如下：

在进行malloc内存分配的时候，内部（分配给一个比payload更大的区域存放所需数据，一般是为了满足对齐要求，保留该块的一个数据结构）和外部碎片（本来可以满足请求，但是因为不连续）会降低utilization。

对于空闲链表的维护，可以使用implicit list， explicit list， segregated list， balance tree（red black tree）进行记录。下面就介绍这些链表。

空闲链表

implicit list

隐式链表就是说它没有显式地使用指针，但是可以向链表一样找到下一个节点。这个结构就是有一个头部，头部说明这个块的大小以及是否已经分配。接着是payload，然后是对齐的pending。当然这里没有画出footer，用于合并。

下面就是一个例子：

寻找空闲块的位置：块的释放和分配的过程中，设计选取块的位置。一般来说就是最先适配、最近适配、最优适配。最优适配节约空间，但是速度比较慢，在做malloc的时候不适用。使用最近适配，一般会比最先适配快，但是utilization降低了。

块的分割：在我们分配一个块的时候，如果剩余块比最小块更大，那么就可以把剩余块加入到空闲链表里面。

块的合并：当一个块被释放的时候，它会查找前后两个块是否空闲，然后合并。找到后面的块很容易，但是前面的块却找不到。所以这里加入了footer，进行合并。当然，这里说的合并是快速合并，不是推迟合并。推迟合并的话，就是扫描整个链表，看是否需要合并。推迟合并就不需要footer了。这里的footer就是大家熟悉的边界标记。

explicit list

在隐式链表上提取出来的，因为隐式链表太慢，而且需要了解到的是只有空闲链表才需要记录，已经分配的，不需要记录。那么显示链表就被提出了。

所以给空闲块增加了前驱和后驱，形成双向链表指向前后的空闲块。有了双向链表，增加，删除，修改一个节点就变得非常轻松。

在插入新节点的时候，可以用LIFO和FIFO。它们的优缺点如下图：我发现用FIFO写malloc比LIFO速度会更慢一些，但是utilization会更大。因为LIFO一般都是以最大的heap的头那块区域接近。

它和隐式链表对比，当然是速度更快，但是内部碎片很可能更大。

segregated list

分离空闲链表就是把空闲块根据大小的不同，分配到了不同的地方。

分离的空闲链表的整个数据结构可以和显示链表一样，就是多声明几个指针用于存储不同大小的空闲块。

平衡树在书上没有讲了，平衡树也就是把空闲块插入到平衡树里面，从找适配块的速度，空间利用率方面都可以大大提高。

Garbage Collection

内存管理者可以知道一个存的东西是不是指针。

一些经典的垃圾回收算法：

把内存看成是有向图，那么每个块就是一个节点，每个指针就是边。如果没有在这个有向图的范围内的内存，都可以看成垃圾。

当不在范围内的块就被标记，然后就被清理。

与内存有关的错误：

看懂下面这幅图，说明你懂指针了。

下面是我们对指针使用比较容易犯的错误。

解决办法：

当然，了解动态内存最好的办法就是实现它。开始做你的malloc吧~

PS： the ppt slide is cut from CMU 18-600 Click Here