05.内存管理:动态申请和释放内存
动态分配内存,进行内存管理
参考:
伙伴算法原理简介
linux 0.11源码
本文主要针对Linux0.11的malloc和free进行分析。是一种类似伙伴系统的内存管理方法,不过伙伴系统的内存通常是申请大于一页的内存,但是在该内核版本的内存管理,申请的内存是小于一页的。
1.结构体
桶描述符bucket_desc ,用于关联物理页page,和空闲内存freeptr。bucket_size桶的大小用于确定每次分配的内存大小。同时桶描述符会进行链表连接bucket_desc。
struct bucket_desc { /* 16 bytes */void *page; // 管理的物理页struct bucket_desc *next; // 下一个bucket地址void *freeptr; // 下一个可供分配的unsigned short refcnt; // 引用计数,释放物理页时要用unsigned short bucket_size; // 每个桶的大小
};
/** This contains a linked list of free bucket descriptor blocks 这包含空闲bucket描述符块的链接列表*/
struct bucket_desc *free_bucket_desc = (struct bucket_desc *) 0;
桶目录,用于确定分配的内存大小和与桶描述符进行关联。bucket_dir
的size是2的n次幂,最大是4096,即为1页大小(4K),当超过1页时,无法分配。
struct _bucket_dir { /* 8 bytes */int size;struct bucket_desc *chain;
};struct _bucket_dir bucket_dir[] = {{ 16, (struct bucket_desc *) 0},{ 32, (struct bucket_desc *) 0},{ 64, (struct bucket_desc *) 0},{ 128, (struct bucket_desc *) 0},{ 256, (struct bucket_desc *) 0},{ 512, (struct bucket_desc *) 0},{ 1024, (struct bucket_desc *) 0},{ 2048, (struct bucket_desc *) 0},{ 4096, (struct bucket_desc *) 0},{ 0, (struct bucket_desc *) 0}
}; /* End of list marker */
2.初始化存储桶描述页
static inline void init_bucket_desc()
{struct bucket_desc *bdesc, *first;int i;first = bdesc = (struct bucket_desc *) get_free_page();if (!bdesc)return ;for (i = P_SIZE/sizeof(struct bucket_desc); i > 1; i--) { // 進行拼接bdesc->next = bdesc+1;bdesc++;}/** This is done last, to avoid race conditions in case* get_free_page() sleeps and this routine gets called again....* 这是最后完成的,以避免在get_free_page()休眠并且再次调用此例程时出现竞争条件。。。*/bdesc->next = free_bucket_desc;free_bucket_desc = first;
}
init_bucket_desc
会申请一个物理页,用于存储bucket_desc
描述符,如下图所示:
申请的物理页会存储256(4096 / 16)个桶描述符bucket_desc
, free_bucket_desc
会指向第一个空闲的bucket_desc
。
3.申请内存
void* malloc(size_t len) {struct _bucket_dir *bdir;struct bucket_desc *bdesc;void *retval;/** First we search the bucket_dir to find the right bucket change* for this request.*/// 首先,我们搜索bucket_dir以找到此请求的正确bucket更改。for (bdir = bucket_dir; bdir->size; bdir++) //找到合适的大小的slab链表if (bdir->size >= len)break;if (!bdir->size) {printk("malloc called with impossibly large argument (%d)\n",len);return NULL;}/** Now we search for a bucket descriptor which has free space 现在我们搜索一个有空闲空间的bucket描述符*/CLI /* Avoid race conditions 關中斷、避免竟態條件 */for (bdesc = bdir->chain; bdesc; bdesc = bdesc->next)if (bdesc->freeptr)break;/** If we didn't find a bucket with free space, then we'll* allocate a new one. 如果我们没有找到一个有空闲空间的桶,那么我们会分配一个新的。*/if (!bdesc) {char *cp;int i;if (!free_bucket_desc)init_bucket_desc();bdesc = free_bucket_desc;free_bucket_desc = bdesc->next; // 還原爲0bdesc->refcnt = 0;bdesc->bucket_size = bdir->size;bdesc->page = bdesc->freeptr = (void *) (cp = (char *) get_free_page());if (!cp)return NULL;/* Set up the chain of free objects 设置空閒对象链*/for (i=P_SIZE/bdir->size; i > 1; i--) {char *next_block = cp + bdir->size; // 计算下一个内存块的地址*(char**) cp = next_block; // 在 cp 所指向的内存块中存储下一个内存块的地址cp += bdir->size;}*((char **) cp) = 0;bdesc->next = bdir->chain; /* OK, link it in! */bdir->chain = bdesc;}retval = (void *) bdesc->freeptr; // 下一个可供分配的bdesc->freeptr = *((void **) retval);bdesc->refcnt++;STI /* OK, we're safe again */return(retval);
}
假设使用malloc
申请一个8字节的内存:malloc(8)
:
- 1.搜索
bucket_dir
,找到第一个size > 8的_bucket_dir
for (bdir = bucket_dir; bdir->size; bdir++) //找到合适的大小的slab链表if (bdir->size >= len)break;if (!bdir->size) {printk("malloc called with impossibly large argument (%d)\n",len);return NULL;}
16 > 8,bucket_dir[0]
满足条件。
- 2.现在搜索一个有空闲空间的
bucket
描述符
for (bdesc = bdir->chain; bdesc; bdesc = bdesc->next)if (bdesc->freeptr)break;
- 3.如果没有找到一个有空闲空间的桶,那么会分配一个新的。
if (!bdesc) {char *cp;int i;if (!free_bucket_desc)init_bucket_desc();bdesc = free_bucket_desc;free_bucket_desc = bdesc->next; // 還原爲0bdesc->refcnt = 0;bdesc->bucket_size = bdir->size;bdesc->page = bdesc->freeptr = (void *) (cp = (char *) get_free_page());if (!cp)return NULL;/* Set up the chain of free objects 设置空閒对象链*/for (i=P_SIZE/bdir->size; i > 1; i--) {char *next_block = cp + bdir->size; // 计算下一个内存块的地址*(char**) cp = next_block; // 在 cp 所指向的内存块中存储下一个内存块的地址cp += bdir->size;}*((char **) cp) = 0;bdesc->next = bdir->chain; /* OK, link it in! */bdir->chain = bdesc;}
首先会判断 free_bucket_desc
是否为0,如果为0说明未初始化,则需要进行初始化。当完成初始化之后,将free_bucket_desc
赋值给桶描述符bdesc
,并将free_bucket_desc
重新赋值为bdesc->next
,以此进行关联。并申请一个物理页get_free_page()
与bdesc
关联。再通过for (i=P_SIZE/bdir->size; i > 1; i--)
设置空閒对象链。
- 4.返回空余内存
retval
,并将bdesc->freeptr
指向下一个可分配的。
完整图示如下:
4.释放内存
- 1.计算此对象所在的页面
page = (void *) ((unsigned long) obj & 0xfffff000);
- 2.搜索该页面的bucket
for (bdir = bucket_dir; bdir->size; bdir++) {prev = 0;/* If size is zero then this conditional is always false 如果大小为零,则此条件始终为false*/if (bdir->size < size)continue;for (bdesc = bdir->chain; bdesc; bdesc = bdesc->next) {if (bdesc->page == page)goto found;prev = bdesc;}}return;
- 3.释放内存,并将引用计数减一。
*((void **)obj) = bdesc->freeptr;bdesc->freeptr = obj;bdesc->refcnt--;
- 4.如果引用计数为0,释放整个页面page。
if (bdesc->refcnt == 0) {/** We need to make sure that prev is still accurate. It* may not be, if someone rudely interrupted us....*/if ((prev && (prev->next != bdesc)) ||(!prev && (bdir->chain != bdesc)))for (prev = bdir->chain; prev; prev = prev->next)if (prev->next == bdesc)break;if (prev)prev->next = bdesc->next;else {if (bdir->chain != bdesc)return;bdir->chain = bdesc->next;}free_page( bdesc->page);bdesc->next = free_bucket_desc;free_bucket_desc = bdesc;}
完整图示如下:
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