CS:APP3e 深入理解计算机系统_3e MallocLab实验
2018-01-09 16:59
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详细的题目要求和资源可以到 http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html 或者 http://www.cs.cmu.edu/~./213/schedule.html 获取。
在这个实验中我们需要实现自己的动态内存申请器(malloc、free、realloc)
2.为了调试方便,在Makefile中将CFLAGS更改为:
这样用GDB调试的时候就能看到源码了
3.地址要对8字节对齐。
4.注意
5.本实验环境WORD=4=sizeof(void *),DWORD=8(gcc -m32)
我这里实现的是书上9.9.13和9.9.14提到的Explicit Free Lists + Segregated Free Lists + Segregated Fits ,详细的介绍参考书上写的。
块的结构如下,其中低三位由于内存对齐的原因总会是0,A代表最低位为1,即该块已经allocated:
堆的起始和结束结构如下:
Free list的结构如下,每条链上的块按大小由小到大排列,这样我们用“first hit”策略搜索链表的时候就能获得“best hit”的性能,例如第一条链,A是B的successor,B是A的predecessor,A的大小小于等于B;不同链以块大小区分,依次为{1}{2}{3~4}{5~8}...{1025~2048}... :
更新:这里的箭头应该是双向的,画错了。
下面是各个模块的实现,部分代码改编自CS:APP3e官网的Code examples 的mm.c(完整代码),如需使用请联系Randy Bryant and Dave O'Hallaron 。这次注释用中文写的,就不另外解释了。
常数及指针运算的宏定义
全局变量
Helper functions
Helper functions: extend_heap
Helper functions: insert_node
Helper functions: delete_node
Helper functions: coalesce
Helper functions: place
初始化堆 mm_init:
申请块:mm_malloc:
释放块:mm_free:
调整块:mm_realloc:
最终结果:
在这个实验中我们需要实现自己的动态内存申请器(malloc、free、realloc)
前期准备:
完全阅读书本第9章man 3 realloc
注意事项:
1.先从小的测试文件开始,例如short1-bal.rep2.为了调试方便,在Makefile中将CFLAGS更改为:
CFLAGS = -Wall -O2 -m32 -ggdb
这样用GDB调试的时候就能看到源码了
3.地址要对8字节对齐。
4.注意
realloc的实现要和libc一致。
5.本实验环境WORD=4=sizeof(void *),DWORD=8(gcc -m32)
思路要点及其实现:
对于速度(thru)而言,我们需要关注malloc、free、realloc每次操作的复杂度。对于内存利用率(util)而言,我们需要关注internal fragmentation (块内损失)和 external fragmentation (块是分散不连续的,无法整体利用),即我们free和malloc的时候要注意整体大块利用(例如合并free块、realloc的时候判断下一个块是否空闲)。我这里实现的是书上9.9.13和9.9.14提到的Explicit Free Lists + Segregated Free Lists + Segregated Fits ,详细的介绍参考书上写的。
块的结构如下,其中低三位由于内存对齐的原因总会是0,A代表最低位为1,即该块已经allocated:
堆的起始和结束结构如下:
Free list的结构如下,每条链上的块按大小由小到大排列,这样我们用“first hit”策略搜索链表的时候就能获得“best hit”的性能,例如第一条链,A是B的successor,B是A的predecessor,A的大小小于等于B;不同链以块大小区分,依次为{1}{2}{3~4}{5~8}...{1025~2048}... :
更新:这里的箭头应该是双向的,画错了。
下面是各个模块的实现,部分代码改编自CS:APP3e官网的Code examples 的mm.c(完整代码),如需使用请联系Randy Bryant and Dave O'Hallaron 。这次注释用中文写的,就不另外解释了。
常数及指针运算的宏定义
/* 向上进行对齐 */ #define ALIGNMENT 8 #define ALIGN(size) ((((size) + (ALIGNMENT-1)) / (ALIGNMENT)) * (ALIGNMENT)) #define WSIZE 4 #define DSIZE 8 /* 每次扩展堆的块大小(系统调用“费时费力”,一次扩展一大块,然后逐渐利用这一大块) */ #define INITCHUNKSIZE (1<<6) #define CHUNKSIZE (1<<12) #define LISTMAX 16 #define MAX(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y)) #define MIN(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y)) #define PACK(size, alloc) ((size) | (alloc)) /* 下面对指针所在的内存赋值时要注意类型转换,否则会有警告 */ #define GET(p) (*(unsigned int *)(p)) #define PUT(p, val) (*(unsigned int *)(p) = (val)) #define SET_PTR(p, ptr) (*(unsigned int *)(p) = (unsigned int)(ptr)) #define GET_SIZE(p) (GET(p) & ~0x7) #define GET_ALLOC(p) (GET(p) & 0x1) #define HDRP(ptr) ((char *)(ptr) - WSIZE) #define FTRP(ptr) ((char *)(ptr) + GET_SIZE(HDRP(ptr)) - DSIZE) #define NEXT_BLKP(ptr) ((char *)(ptr) + GET_SIZE((char *)(ptr) - WSIZE)) #define PREV_BLKP(ptr) ((char *)(ptr) - GET_SIZE((char *)(ptr) - DSIZE)) #define PRED_PTR(ptr) ((char *)(ptr)) #define SUCC_PTR(ptr) ((char *)(ptr) + WSIZE) #define PRED(ptr) (*(char **)(ptr)) #define SUCC(ptr) (*(char **)(SUCC_PTR(ptr)))
全局变量
/* 分离空闲表 */ void *segregated_free_lists[LISTMAX]; /* 实验信息 */ team_t team = {"1603002","Qiuhao Li","liqiuhao727@outlook.com","",""};
Helper functions
/* 扩展推 */ static void *extend_heap(size_t size); /* 合并相邻的Free block */ static void *coalesce(void *ptr); /* 在prt所指向的free block块中allocate size大小的块,如果剩下的空间大于2*DWSIZE,则将其分离后放入Free list */ static void *place(void *ptr, size_t size); /* 将ptr所指向的free block插入到分离空闲表中 */ static void insert_node(void *ptr, size_t size); /* 将ptr所指向的块从分离空闲表中删除 */ static void delete_node(void *ptr);
Helper functions: extend_heap
static void *extend_heap(size_t size) { void *ptr; /* 内存对齐 */ size = ALIGN(size); /* 系统调用“sbrk”扩展堆 */ if ((ptr = mem_sbrk(size)) == (void *)-1) return NULL; /* 设置刚刚扩展的free块的头和尾 */ PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 0)); PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0)); /* 注意这个块是堆的结尾,所以还要设置一下结尾 */ PUT(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(0, 1)); /* 设置好后将其插入到分离空闲表中 */ insert_node(ptr, size); /* 另外这个free块的前面也可能是一个free块,可能需要合并 */ return coalesce(ptr); }
Helper functions: insert_node
static void insert_node(void *ptr, size_t size) { int listnumber = 0; void *search_ptr = NULL; void *insert_ptr = NULL; /* 通过块的大小找到对应的链 */ while ((listnumber < LISTMAX - 1) && (size > 1)) { size >>= 1; listnumber++; } /* 找到对应的链后,在该链中继续寻找对应的插入位置,以此保持链中块由小到大的特性 */ search_ptr = segregated_free_lists[listnumber]; while ((search_ptr != NULL) && (size > GET_SIZE(HDRP(search_ptr)))) { insert_ptr = search_ptr; search_ptr = PRED(search_ptr); } /* 循环后有四种情况 */ if (search_ptr != NULL) { /* 1. ->xx->insert->xx 在中间插入*/ if (insert_ptr != NULL) { SET_PTR(PRED_PTR(ptr), search_ptr); SET_PTR(SUCC_PTR(search_ptr), ptr); SET_PTR(SUCC_PTR(ptr), insert_ptr); SET_PTR(PRED_PTR(insert_ptr), ptr); } /* 2. [listnumber]->insert->xx 在开头插入,而且后面有之前的free块*/ else { SET_PTR(PRED_PTR(ptr), search_ptr); SET_PTR(SUCC_PTR(search_ptr), ptr); SET_PTR(SUCC_PTR(ptr), NULL); segregated_free_lists[listnumber] = ptr; } } else { if (insert_ptr != NULL) { /* 3. ->xxxx->insert 在结尾插入*/ SET_PTR(PRED_PTR(ptr), NULL); SET_PTR(SUCC_PTR(ptr), insert_ptr); SET_PTR(PRED_PTR(insert_ptr), ptr); } else { /* 4. [listnumber]->insert 该链为空,这是第一次插入 */ SET_PTR(PRED_PTR(ptr), NULL); SET_PTR(SUCC_PTR(ptr), NULL); segregated_free_lists[listnumber] = ptr; } } }
Helper functions: delete_node
static void delete_node(void *ptr) { int listnumber = 0; size_t size = GET_SIZE(HDRP(ptr)); /* 通过块的大小找到对应的链 */ while ((listnumber < LISTMAX - 1) && (size > 1)) { size >>= 1; listnumber++; } /* 根据这个块的情况分四种可能性 */ if (PRED(ptr) != NULL) { /* 1. xxx-> ptr -> xxx */ if (SUCC(ptr) != NULL) { SET_PTR(SUCC_PTR(PRED(ptr)), SUCC(ptr)); SET_PTR(PRED_PTR(SUCC(ptr)), PRED(ptr)); } /* 2. [listnumber] -> ptr -> xxx */ else { SET_PTR(SUCC_PTR(PRED(ptr)), NULL); segregated_free_lists[listnumber] = PRED(ptr); } } else { /* 3. [listnumber] -> xxx -> ptr */ if (SUCC(ptr) != NULL) { SET_PTR(PRED_PTR(SUCC(ptr)), NULL); } /* 4. [listnumber] -> ptr */ else { segregated_free_lists[listnumber] = NULL; } } }
Helper functions: coalesce
static void *coalesce(void *ptr) { _Bool is_prev_alloc = GET_ALLOC(HDRP(PREV_BLKP(ptr))); _Bool is_next_alloc = GET_ALLOC(HDRP(NEXT_BLKP(ptr))); size_t size = GET_SIZE(HDRP(ptr)); /* 根据ptr所指向块前后相邻块的情况,可以分为四种可能性 */ /* 另外注意到由于我们的合并和申请策略,不可能出现两个相邻的free块 */ /* 1.前后均为allocated块,不做合并,直接返回 */ if (is_prev_alloc && is_next_alloc) { return ptr; } /* 2.前面的块是allocated,但是后面的块是free的,这时将两个free块合并 */ else if (is_prev_alloc && !is_next_alloc) { delete_node(ptr); delete_node(NEXT_BLKP(ptr)); size += GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(ptr))); PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 0)); PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0)); } /* 3.后面的块是allocated,但是前面的块是free的,这时将两个free块合并 */ else if (!is_prev_alloc && is_next_alloc) { delete_node(ptr); delete_node(PREV_BLKP(ptr)); size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(ptr))); PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0)); PUT(HDRP(PREV_BLKP(ptr)), PACK(size, 0)); ptr = PREV_BLKP(ptr); } /* 4.前后两个块都是free块,这时将三个块同时合并 */ else { delete_node(ptr); delete_node(PREV_BLKP(ptr)); delete_node(NEXT_BLKP(ptr)); size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(ptr))) + GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(ptr))); PUT(HDRP(PREV_BLKP(ptr)), PACK(size, 0)); PUT(FTRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(size, 0)); ptr = PREV_BLKP(ptr); } /* 将合并好的free块加入到空闲链接表中 */ insert_node(ptr, size); return ptr; }
Helper functions: place
static void *place(void *ptr, size_t size) { size_t ptr_size = GET_SIZE(HDRP(ptr)); /* allocate size大小的空间后剩余的大小 */ size_t remainder = ptr_size - size; delete_node(ptr); /* 如果剩余的大小小于最小块,则不分离原块 */ if (remainder < DSIZE * 2) { PUT(HDRP(ptr), PACK(ptr_size, 1)); PUT(FTRP(ptr), PACK(ptr_size, 1)); } /* 否则分离原块,但这里要注意这样一种情况(在binary-bal.rep和binary2-bal.rep有体现): * 如果每次allocate的块大小按照小、大、小、大的连续顺序来的话,我们的free块将会被“拆”成以下这种结构: * 其中s代表小的块,B代表大的块 s B s B s B s B +--+----------+--+----------+-+-----------+-+---------+ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +--+----------+--+----------+-+-----------+-+---------+ * 这样看起来没什么问题,但是如果程序后来free的时候不是按照”小、大、小、大“的顺序来释放的话就会出现“external fragmentation” * 例如当程序将大的块全部释放了,但小的块依旧是allocated: s s s s +--+----------+--+----------+-+-----------+-+---------+ | | | | | | | | | | | Free | | Free | | Free | | Free | | | | | | | | | | +--+----------+--+----------+-+-----------+-+---------+ * 这样即使我们有很多free的大块可以使用,但是由于他们不是连续的,我们不能将它们合并,如果下一次来了一个大小为B+1的allocate请求 * 我们就还需要重新去找一块Free块 * 与此相反,如果我们根据allocate块的大小将小的块放在连续的地方,将达到开放在连续的地方: s s s s s s B B B +--+--+--+--+--+--+----------+------------+-----------+ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +--+--+--+--+--+--+----------+------------+-----------+ * 这样即使程序连续释放s或者B,我们也能够合并free块,不会产生external fragmentation * 这里“大小”相对判断是根据binary-bal.rep和binary2-bal.rep这两个文件设置的,我这里在96附近能够达到最优值 * */ else if (size >= 96) { PUT(HDRP(ptr), PACK(remainder, 0)); PUT(FTRP(ptr), PACK(remainder, 0)); PUT(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(size, 1)); PUT(FTRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(size, 1)); insert_node(ptr, remainder); return NEXT_BLKP(ptr); } else { PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 1)); PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 1)); PUT(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(remainder, 0)); PUT(FTRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(remainder, 0)); insert_node(NEXT_BLKP(ptr), remainder); } return ptr; }
初始化堆 mm_init:
int mm_init(void) { int listnumber; char *heap; /* 初始化分离空闲链表 */ for (listnumber = 0; listnumber < LISTMAX; listnumber++) { segregated_free_lists[listnumber] = NULL; } /* 初始化堆 */ if ((long)(heap = mem_sbrk(4 * WSIZE)) == -1) return -1; /* 这里的结构参见本文上面的“堆的起始和结束结构” */ PUT(heap, 0); PUT(heap + (1 * WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); PUT(heap + (2 * WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); PUT(heap + (3 * WSIZE), PACK(0, 1)); /* 扩展堆 */ if (extend_heap(INITCHUNKSIZE) == NULL) return -1; return 0; }
申请块:mm_malloc:
void *mm_malloc(size_t size) { if (size == 0) return NULL; /* 内存对齐 */ if (size <= DSIZE) { size = 2 * DSIZE; } else { size = ALIGN(size + DSIZE); } int listnumber = 0; size_t searchsize = size; void *ptr = NULL; while (listnumber < LISTMAX) { /* 寻找对应链 */ if (((searchsize <= 1) && (segregated_free_lists[listnumber] != NULL))) { ptr = segregated_free_lists[listnumber]; /* 在该链寻找大小合适的free块 */ while ((ptr != NULL) && ((size > GET_SIZE(HDRP(ptr))))) { ptr = PRED(ptr); } /* 找到对应的free块 */ if (ptr != NULL) break; } searchsize >>= 1; listnumber++; } /* 没有找到合适的free块,扩展堆 */ if (ptr == NULL) { if ((ptr = extend_heap(MAX(size, CHUNKSIZE))) == NULL) return NULL; } /* 在free块中allocate size大小的块 */ ptr = place(ptr, size); return ptr; }
释放块:mm_free:
void mm_free(void *ptr) { size_t size = GET_SIZE(HDRP(ptr)); PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 0)); PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0)); /* 插入分离空闲链表 */ insert_node(ptr, size); /* 注意合并 */ coalesce(ptr); }
调整块:mm_realloc:
void *mm_realloc(void *ptr, size_t size) { void *new_block = ptr; int remainder; if (size == 0) return NULL; /* 内存对齐 */ if (size <= DSIZE) { size = 2 * DSIZE; } else { size = ALIGN(size + DSIZE); } /* 如果size小于原来块的大小,直接返回原来的块 */ if ((remainder = GET_SIZE(HDRP(ptr)) - size) >= 0) { return ptr; } /* 否则先检查地址连续下一个块是否为free块或者该块是堆的结束块,因为我们要尽可能利用相邻的free块,以此减小“external fragmentation” */ else if (!GET_ALLOC(HDRP(NEXT_BLKP(ptr))) || !GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)))) { /* 即使加上后面连续地址上的free块空间也不够,需要扩展块 */ if ((remainder = GET_SIZE(HDRP(ptr)) + GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(ptr))) - size) < 0) { if (extend_heap(MAX(-remainder, CHUNKSIZE)) == NULL) return NULL; remainder += MAX(-remainder, CHUNKSIZE); } /* 删除刚刚利用的free块并设置新块的头尾 */ delete_node(NEXT_BLKP(ptr)); PUT(HDRP(ptr), PACK(size + remainder, 1)); PUT(FTRP(ptr), PACK(size + remainder, 1)); } /* 没有可以利用的连续free块,而且size大于原来的块,这时只能申请新的不连续的free块、复制原块内容、释放原块 */ else { new_block = mm_malloc(size); memcpy(new_block, ptr, GET_SIZE(HDRP(ptr))); mm_free(ptr); } return new_block; }
最终结果:
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