csapp实验8-malloclab实验详解_malloc lab解析-程序员宅基地

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8-malloclab

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本实验应该算是最棘手的一个,各种指针交叠,但也是像bomblab一样很经典的实验

1 简要分析

实验目的:熟悉C语言指针,熟悉动态内存的申请的方法和动态内存的结构

工作空间:mm.c

实验内容:写一个动态存储分配器,实现init,malloc,realloc,free等操作,并尽可能优化这个分配器,平衡吞吐率和空间利用率

实验工具:mdriver工具,可以检测正确性

2 具体实现

1. 堆结构

堆,是一个进程的虚拟内存区域。首先看一下堆结构

在这里插入图片描述

堆的地址是连续的,一整块内存区域都是堆,那么如何管理这一整块内存区域呢。有三种常见的方式

  1. 隐式空闲列表(Implicit Free List):
    • 把整块堆切分为许多紧邻的块,每个块的头部包含了这个块的大小以及它是否被分配的信息,通过这个块的大小我们就能找到与它相连的下一块的起始地址
    • 好处:简单
    • 坏处:每次申请时需要从头开始遍历,吞吐量低下,且容易产生许多空间碎片
  2. 显式空闲列表(Explicit Free Lists):
    • 对隐式空闲列表的改进,在隐式空闲列表基础上,每个空闲块除了存储它的大小和是否被分配的信息外,还存储了指向下一个和/或上一个空闲块的指针,这样查找空闲块的时候只需要遍历空闲列表
    • 好处:提高了内存分配效率,降低空间碎片
    • 坏处:需要多的空间存储指针,维护困难、
  3. 分离空闲列表(Segregated Free Lists):
    • 维护多个空闲链表,每个链表中的块有大致相等的大小,分配器维护着一个空闲链表数组
    • 好处:更加提高了内存分配效率,降低空间碎片
    • 坏处:维护困难,可能导致空间利用率不高

我们的目的:平衡好吞吐率和空间利用率(这两个其实是冲突的,不可能吞吐率高又空间利用率高,因为高的吞吐率必然采用诸如链表,哈希表,树等结构,这些结构必然导致空间利用率降低,所以得平衡)

2. 块结构

看看块结构,方便代码理解

在这里插入图片描述

3. 实现

注意,代码阶段都是来自CSAPP | Lab8-Malloc Lab 深入解析 - 知乎 (zhihu.com),大佬太厉害辣,我这里大概讲解一下

  1. 首先定义一堆方便操作的宏,我觉得这一堆宏简直是神来之笔,宏的作用大佬说的很清楚,我就不解释了
/* 头部/脚部大小 单字(四字节) */
#define WSIZE 4
/* 双字 */
#define DSIZE 8

/* 取最大值 */
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

/* 扩展堆时默认大小 */
#define CHUNKSIZE (1 << 12)

/* 设置头部/脚部值 */
#define PACK(size, alloc) ((size)|(alloc))

/* 读写指针p */
/*
	首先知道void*类型的指针可以指向任何地方,其实malloc函数申请的指针就是void*类型
	(unsigned int *)(p)的意思是将void*类型的指针p强转为指向unsigned int类型的指针
	然后(*(unsigned int *)(p))是取出该指针指向的unsigned int类型的值
*/
#define GET(p) (*(unsigned int *)(p))
#define PUT(p, val) ((*(unsigned int *)(p)) = (val))

/* 从头部或脚部获取大小或分配位 */
/* 这里0x是十六进制嗷,低一位表示是否已分配 */
#define GET_SIZE(p) (GET(p) & ~0x7)
#define GET_ALLOC(p) (GET(p) & 0x1)

/* 给定有效载荷指针,找到头部和脚部 */
#define HDRP(bp) ((char *)(bp) - WSIZE)
#define FTRP(bp) ((char *)(bp) + GET_SIZE(HDRP(bp)) - DSIZE)

/* 给定有效载荷指针, 找到前一块或下一块 */
#define NEXT_BLKP(bp) ((char*)(bp) + GET_SIZE(((char*)(bp) - WSIZE)))
#define PREV_BLKP(bp) ((char*)(bp) - GET_SIZE(((char*)(bp) - DSIZE)))
  1. 然后定义需要用的函数,每个函数在这里都给出注释了
/**
 * @brief 初始化堆
 * 初始化一个堆,主要是定义了堆的序言块和结尾块,相当于开头和结尾,然后添加了一个CHUNKSIZE/WSIZE大小的空  间
 */
int mm_init(void);

/**
 * @brief 扩展堆
 * 用于扩展堆,每当需要申请动态内存的时候就调用该函数来申请动态内存空间
 *
 * @param words	申请的动态内存大小
 */
void *extend_heap(size_t words);

/**
 * @brief 释放内存
 *
 * @param ptr	需要释放的块指针
 */
void mm_free(void *ptr);

/**
 * @brief 分割空闲块
 * 判断剩下的空间是否足够存放头部和脚部,够的话就设置各种标志位,不够的话就要设置为填充的块
 *
 * @param bp	当前空闲块指针
 * @param asize	当前请求的块大小
 */
void place(void *bp, size_t asize);

/**
 * @brief 合并块
 * 合并块有四种情况,需要把相邻的空闲块合并在一起
 *
 * @param bp	需要合并的块指针
 */
void *coalesce(void *bp);

/**
 * @brief 首次适配原则
 *
 * @param asize	请求的块大小
 */
void *first_fit(size_t asize);

/**
 * @brief 自主实现的malloc
 *
 * @param size	申请的块大小
 */
void *mm_malloc(size_t size);

/**
 * @brief 重新申请块大小
 *
 * @param ptr	重新申请的块的指针
 * @param size	重新申请的块大小
 */
void *mm_realloc(void *ptr, size_t size);

接下来就是每一部分的代码,这一部分该大佬每个函数给出的注释很详细,我就不献丑辣,可以慢慢读。

总结:终于更完辣。虽然最后一个实验更的很水,但总归是写完了。今后也要元气满满哦~

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