内存池设计解析

目录

• 一、内存池粒度定义
• 二、内存池结构图
• 三、自由链表的表头结构
  • 3.1 关于 Obj 联合体的设计
• 四、链表和静态成员
• 五、两个重要辅助函数
  • 5.1 roundUp 函数
  • 5.2 freeListIndex 函数
• 六、内存分配
  • 6.1 分配：allocate 函数
  • 6.2 内存管理：S_refill 函数
  • 6.3 实际的内存分配：S_chunk_alloc 函数
  • 6.4 归还：deallocate函数
  • 6.5 扩容/缩容：reallocate函数

一、内存池粒度定义

enum { ALIGN = 8 };                      // 内存对齐
enum { MAX_BYTES = 128 };                // 最大分配块
enum { NFREELISTS = MAX_BYTES / ALIGN }; // 自由链表数组大小

二、内存池结构图

三、自由链表的表头结构

union Obj {
    Obj* next;       // 指向下一个块
    char data[1];    // 占位数据
};

3.1 关于Obj联合体的设计

1. 为什么需要 char data[1] ?

"柔性数组" M_client_data[1] 只是个占位符,当 malloc 分配一块足够大的内存时，Obj 结构体会占据前面的一部分，后续的空间会直接作为 M_client_data 来存放数据。整个 Obj 结构体和数据部分是连续的，避免了额外的指针存储和碎片化。

当 malloc 分配 128 字节时：

Obj* object = (Obj*)malloc(sizeof(Obj) + 128);

• sizeof(Obj) 是 M_free_list_link 指针的大小：8（64位系统）
• malloc 分配的总大小是 sizeof(Obj) + 128
  • Obj 占 8 字节
  • 128 字节的数据区域从 M_client_data[1] 之后开始

2. 为什么用字节数组?

在 C/C++ 中，char*（或 unsigned char*）被定义为 “可以合法访问任何内存” 的指针类型

因为char的大小是 1 字节，所以可以逐字节访问内存的原始内容

3. 空白内存需要分块构建成链表的形式，但是为什么是用union，而不是struct?

（1）union 支持类型双关：类型双关 是指 同一块内存被不同的类型解释 ，所以用union来设计的巧妙在于这块内存的双重身份，可以别名同一内存

① 空闲时→作为_Obj链表节点

• 内存刚分配出来的时候会转换为obj（S_refill函数中再详细介绍），此时作为链表节点，内部next指针存储下一块节点位置

② 分配时 → 作为用户内存

• 直接返回 char* 指针给用户，用户可自由使用整个块（包括原指针占用的空间）
• 用户数据会覆盖，因为链表已解除链接，这块内存交给了用户去管理，所以不用记录

（2）union成员共享内存

• union的内存大小由最大成员决定，而struct每个成员占用独立空间，还要进行内存对齐

struct _Obj { 
    _Obj* next;  // 8字节
    char data[1];   // 1字节（需要考虑内存对齐，实际上要大一些）
};

union _Obj{      //大小为next的大小，8字节
 _Obj* next; 
 char data[1]; 
 } 

• 写入 next 后，可以用 data 访问相同的内存

四、链表和静态成员

Obj* freeList[NFREELISTS] = {nullptr}; // 自由链表
char* startFree = nullptr;             // 新分配内存池起始地址
char* endFree = nullptr;               // 新分配内存池结束地址
size_t heapSize = 0;                   // 记录已分配的堆大小

五、两个重要辅助函数

size_t roundUp(size_t bytes) {return (bytes + ALIGN - 1) & ~(ALIGN - 1);}

size_t freeListIndex(size_t bytes) {return (bytes + ALIGN - 1) / ALIGN - 1;}   

5.1 roundUp函数

将bytes向上对齐到 ALIGN 的倍数

bytes	roundUp
3	8
8	8
9	16
16	16
17	24

5.2 freeListIndex函数

计算给定 bytes（内存块的字节大小）对应的自由链表索引，也就是这块内存在freelist数组的什么位置

bytes	freeListIndex
1	0
8	0
9	1
16	1
17	2
24	2

六、内存调度

6.1 分配：allocate函数

6.2 内存管理：S_refill函数

6.3 实际的内存分配：S_chunk_alloc函数

6.4 归还：deallocate函数

6.5 扩容/缩容：reallocate函数