简介
使用过c语言的都知道malloc是一个动态分配内存的函数
malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址
- malloc分配的内存大小至少为size参数所指定的字节数
- malloc的返回值是一个指针，指向一段可用内存的起始地址
使用示例
char *ptr = (char *)malloc(10); //分配10个字节的内存空间，用来存放字符
数据结构
- arena
- mem_block_desc-内存块描述符指针
- block_size，规格
- block_per_arena，容量
- free_list
- 由free_list指向的内存块数组（内存池区域）
- mem_block_desc-内存块描述符指针
arena结构.png
arena是个提供内存分配的数据结构，它分为两部分，一部分是元信息，用来描述自己内存池中空闲内存块的数量，这其中包括内存块描述符指针，通过它可以间接获知本arena所包含内存块的规格大小，此部分占用的内存空间是固定的，约为12字节。另一部分就是内存池区域，这里面有无数的内存块，此部分占用arena大量的空间。我们把每个内存块命名为mem_block，他们是内存分配粒度更细的资源。
内存块描述符代表内存分配的规则，从16字节，到32，64，，，1024字节共7种规格。结构上的区别就是block_size不同，free_list中指向的内存块规则不同。
malloc函数实际上就是通过arena申请这些内存块。arena是个内存仓库，并不直接对外提供内存分配，只有内存块描述符才对外提供内存块，内存块描述符将同类的空闲内存块汇聚到一起，作为某一规格内存块的分配入口。因此，内存块描述符与arena是一对多的关系，每个arena都要与唯一的内存块描述符关联起来，多个同一规格的arena为同一规格的内存块描述符供应内存块，他们各自元信息中用内存块描述符指针指向同一个内存块描述符。
arena.png
结构定义
memory.h
/*内存块*/
struct mem_block{
struct list_elem free_elem;
}
/*内存块描述符*/
struct mem_block_desc{
//内存块大小
unit32_t block_size;
//本arena中容纳此mem_block的数量
unit32_t block_per_arena;
//目前可用的mem_block链表
struct list free_list;
}
#define DESC_CNT 7
memory.c
struc arena{
//此arena关联的mem_block_desc
struct mem_block_desc* desc;
//large为true时，cnt表示的是页框数量。否则cnt表示空闲mem_block数量
unit32_t cnt;
bool large;
}
//内核内存块描述符数组
struct mem_block_desc k_block_desc[DESC_CNT];
//生成内核内存池和用户内存池
struct pool kernel_pool,user_pool;
//此结构用来给内核分配虚拟地址
struct virtual_addr kernal_vaddr;
/*为malloc做准备*/
void block_desc_init(struct mem_block_desc* desc_array){
uint16_t desc_idx, block_size = 16;
//初始化每个mem_block_desc描述符
for(desc_idx = 0; desc_idx < DESC_CNT; desc_idx++){
desc_array[desc_idx].block_size = block_size;
//减去arena大小再向下整除
desc_array[desc_idx].block_per_arena = (PG_SIZE - sizeof(struct arena)) / block_size;
list_init(&desc_array[desc_idx].free_list);
block_size * = 2;
}
}
void mem_init(){
put_str("mem_init start\n");
unit32_t mem_byte_total = (*(unit32_t*)(0xb00));
//初始化内存池
mem_pool_init(mem_byte_total);
//初始化mem_block_desc数组，为malloc做准备
block_desc_init(k_block_desc);
put_str("mem_init done\n");
}
PG_SIZE = 4KB 4096
sys_malloc的功能是分配并维护内存资源，动态创建arena以满足对内存块的分配
代码实现
sys_malloc的功能是分配并维护内存资源，动态创建arena以满足对内存块的分配
- 根据是内核线程调用和用户线程调用判断应该使用哪个内存池
- 加锁
- 分配的内存大于1024，直接进行内存分配，初始化arena，不需要用到内存块描述符，最后解锁
- 小于等于1024
- 先找到应该使用哪种规格的内存块描述符
- free_list是否为空，如果为空，分配1页框4096作为arena，
- 并将arena中的内存池拆解到free_list中。
- 到这一步，free_list肯定不为空了，从free_list中取出一个mem_block
- 解锁
void sys_malloc(unit32_t size){
enum pool_flags PF;
struct pool* mem_pool;
unit32_t pool_size;
struct mem_block_desc* descs;
struct task_struct* cur_thread = running_thread();
/*根据申请者判断用哪个线程池*/
if(cur_thread->pgdir == NULL){
PF = PF_KENEL;
pool_size = kernel_pool.pool_size;
mem_pool = &kernel_pool;
descs = k_block_descs;
}else{
PF = PF_USER;
pool_size = user_pool.pool_size;
mem_pool = &user_pool;
descs = cur_thread->u_block_desc;
}
//若申请的内存不在内存容量范围内，则直接返回null
if(!(size > 0 && size < pool_size)){
return null;
}
struct arena* a;
struct mem_block* b;
lock_acquire(&mem_pool->lock);
//超过1024，就分配页框
if(size > 1024){
//向上取整需要的页框数
unit32_t page_cnt = DIV_ROUND_UP(size + sizeof(struc arena), PG_SIZE);
//从堆中创建arena
a = malloc_page(PF, page_cnt);
if(a != NULL){
//将分配的内存清零
memset(a, 0, page_cnt * PG_SIZE);
//对于分配的大块页框，将desc置为null，cnt置为页框数，large置为true
a->desc = NULL;
a->cnt = page_cnt;
a->large = true;
lock_release(&mem_pool->lock);
//跨过arena大小，把剩下的内存返回
//arena中可被用户使用的是内存池部分，需要跨过arean元信息部分
return (void*)(a+1);
}else{
lock_release(&mem_pool->lock);
return NULL;
}
}else{
//若申请的内存小于等于1024，可在各种规格的mem_block_desc中适配
//如申请内存120，那128规格的就是合适的
uint8_t desc_idx;
for(desc_idx = 0; desc_idx < DESC_CNT; desc_idx++){
if(size <= descs[desc_idx].block_size){
//从小往大找，找到后退出
break;
}
}
//若是mem_block_desc的free_list中已经没有可用的mem_block，就创建新的arena提供mem_block
//如果为空，说明供货商arena已经被分配光了
if(list_empty(&descs[desc_idx].free_list)){
//分配1页框作为arena
a = malloc_page(PF, 1);
if(a == NULL){
lock_release(&mem_pool->lock);
return NULL;
}
memset(a, 0, PG_SIZE);
//对于分配的小块内存，将desc置为相应内存块描述符
a->desc = &descs[desc_idx];
//cnt置为此arena可用的内存块数量，large置为false
a->large = false;
//前面初始化计算好的值，本arena中可容纳规格为block_size的内存块数量
a->cnt = descs[desc_idx].blocks_per_arena;
uint32_t block_idx;
enum intr_status old_status = intr_disable();
//开始将arena拆分为内存块，并添加到内存块描述符的free_list中。
for(block_idx=0; block_idx<descs[desc_idx].blocks_per_arena;block_idx++){
//返回arena中第idx个内存块的首地址
b = arena2block(a, block_idx);
ASSERT(!elem_find(&a->desc->free_list, &b->free_elem));
//添加到内存块描述符的free_list中
list_append(&a->desc->free_list, &b->free_elem);
//画图
}
intr_set_status(old_status);
}
//将内存块mem_block中list_elem的地址转换为mem_block的地址。
b = elem2entry(struct mem_block, free_elem, list_pop(&(descs[desc_idx].free_list)));
memset(b, 0, descs[desc_idx].block_size);
a = block2arena(b);
a->cnt--;
lock_release(&mem_pool->lock);
return (void*)b;
}
}
/*在arean指针指向的页框中，跳过元信息部分，即struct arena的大小，再用idx乘以该arena中内存块大小，最终的地址便是arena中第idx个内存块的首地址，将其转换为mem_block类型后返回*/
static struct mem_block* arena2block(struct arena* a, uint32+t idx){
return (struct mem_block*)((uint32_t)a + sizeof(struct arena) + idx * a->desc->block_size);
}
//用于将7中规格的内存块转为内存块所在的arena
//内存块的高20位地址便是arena所在的地址
//0x12aab000
//0x12aabfff
static struct arena* block2arena(struct mem_block* b){
return (struct arena*)((unit32_t)b & 0xfffff000);
}
可能有用户线程或者内核线程调用此函数
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