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🆕 malloc 、printf
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fslongjin
392
user/libs/libc/malloc.c
Normal file
392
user/libs/libc/malloc.c
Normal file
@ -0,0 +1,392 @@
|
||||
#include <libc/stdlib.h>
|
||||
#include <libsystem/syscall.h>
|
||||
#include <libc/stddef.h>
|
||||
#include <libc/unistd.h>
|
||||
#include <libc/errno.h>
|
||||
#include <libc/stdio.h>
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 显式链表的结点
|
||||
*
|
||||
*/
|
||||
typedef struct malloc_mem_chunk_t
|
||||
{
|
||||
uint64_t start_addr; // 整个块所在内存区域的起始地址（包括header）
|
||||
uint64_t length; // 整个块所占用的内存区域的大小
|
||||
struct malloc_mem_chunk_t *prev; // 上一个结点的指针
|
||||
struct malloc_mem_chunk_t *next; // 下一个结点的指针
|
||||
} malloc_mem_chunk_t;
|
||||
|
||||
static uint64_t brk_base_addr = 0; // 堆区域的内存基地址
|
||||
static uint64_t brk_max_addr = 0; // 堆区域的内存最大地址
|
||||
static uint64_t brk_managed_addr = 0; // 堆区域已经被管理的地址
|
||||
|
||||
// 空闲链表
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||||
// 按start_addr升序排序
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||||
static malloc_mem_chunk_t *malloc_free_list = NULL;
|
||||
// 已分配链表
|
||||
// 使用LIFO策略。基于假设：程序运行早期分配的内存会被最晚释放
|
||||
static malloc_mem_chunk_t *malloc_allocated_list = NULL;
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 获取一块堆内存（不尝试扩大堆内存）
|
||||
*
|
||||
* @param size
|
||||
* @return void* 内存的地址指针，获取失败时返回-ENOMEM
|
||||
*/
|
||||
static void *malloc_no_enlarge(ssize_t size);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 将块插入空闲链表
|
||||
*
|
||||
* @param ck 待插入的块
|
||||
*/
|
||||
static void malloc_insert_free_list(malloc_mem_chunk_t *ck);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 在链表中检索符合要求的空闲块（best fit）
|
||||
*
|
||||
* @param size 块的大小
|
||||
* @return malloc_mem_chunk_t*
|
||||
*/
|
||||
static malloc_mem_chunk_t *malloc_query_free_chunk_bf(uint64_t size)
|
||||
{
|
||||
// 在满足best fit的前提下，尽可能的使分配的内存在低地址
|
||||
// 使得总的堆内存可以更快被释放
|
||||
|
||||
if (malloc_free_list == NULL)
|
||||
{
|
||||
printf("free list is none.\n");
|
||||
return NULL;
|
||||
}
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ptr = malloc_free_list;
|
||||
malloc_mem_chunk_t *best = NULL;
|
||||
printf("query size=%d", size);
|
||||
while (ptr)
|
||||
{
|
||||
printf("ptr->length=%#010lx\n", ptr->length);
|
||||
if (ptr->length == size)
|
||||
{
|
||||
best = ptr;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ptr->length > size)
|
||||
{
|
||||
if (best == NULL)
|
||||
best = ptr;
|
||||
else if (best->length > ptr->length)
|
||||
best = ptr;
|
||||
}
|
||||
ptr = ptr->next;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return best;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 在链表中检索符合要求的空闲块（first fit）
|
||||
*
|
||||
* @param size
|
||||
* @return malloc_mem_chunk_t*
|
||||
*/
|
||||
static malloc_mem_chunk_t *malloc_query_free_chunk_ff(uint64_t size)
|
||||
{
|
||||
if (malloc_free_list == NULL)
|
||||
return NULL;
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ptr = malloc_free_list;
|
||||
|
||||
while (ptr)
|
||||
{
|
||||
if (ptr->length >= size)
|
||||
{
|
||||
return ptr;
|
||||
}
|
||||
ptr = ptr->next;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return NULL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 扩容malloc管理的内存区域
|
||||
*
|
||||
* @param size 扩大的内存大小
|
||||
*/
|
||||
static int malloc_enlarge(int32_t size)
|
||||
{
|
||||
if (brk_base_addr == 0) // 第一次调用，需要初始化
|
||||
{
|
||||
brk_base_addr = brk(-1);
|
||||
printf("brk_base_addr=%#018lx\n", brk_base_addr);
|
||||
brk_managed_addr = brk_base_addr;
|
||||
brk_max_addr = brk(-2);
|
||||
}
|
||||
|
||||
int64_t tmp = brk_managed_addr + size - brk_max_addr;
|
||||
if (tmp > 0) // 现有堆空间不足
|
||||
{
|
||||
if (sbrk(tmp) != (-1))
|
||||
brk_max_addr = brk((-1));
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
put_string("malloc_enlarge(): no_mem", COLOR_YELLOW, COLOR_BLACK);
|
||||
return -ENOMEM;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 扩展管理的堆空间
|
||||
// 在新分配的内存的底部放置header
|
||||
malloc_mem_chunk_t *new_ck = (malloc_mem_chunk_t *)brk_managed_addr;
|
||||
new_ck->start_addr = (uint64_t)new_ck;
|
||||
new_ck->length = brk_max_addr - brk_managed_addr;
|
||||
printf("new_ck->start_addr=%#018lx\tbrk_max_addr=%#018lx\tbrk_managed_addr=%#018lx\n", new_ck->start_addr, brk_max_addr, brk_managed_addr);
|
||||
new_ck->prev = new_ck->next = NULL;
|
||||
brk_managed_addr = brk_max_addr;
|
||||
|
||||
malloc_insert_free_list(new_ck);
|
||||
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 合并空闲块
|
||||
*
|
||||
*/
|
||||
static void malloc_merge_free_chunk()
|
||||
{
|
||||
if (malloc_free_list == NULL)
|
||||
return;
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ptr = malloc_free_list->next;
|
||||
while (ptr)
|
||||
{
|
||||
// 内存块连续
|
||||
if (ptr->prev->start_addr + ptr->prev->length == ptr->start_addr)
|
||||
{
|
||||
// 将ptr与前面的空闲块合并
|
||||
ptr->prev->length += ptr->length;
|
||||
ptr->prev->next = ptr->next;
|
||||
// 由于内存组成结构的原因，不需要free掉header
|
||||
ptr = ptr->prev;
|
||||
}
|
||||
ptr = ptr->next;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 将块插入空闲链表
|
||||
*
|
||||
* @param ck 待插入的块
|
||||
*/
|
||||
static void malloc_insert_free_list(malloc_mem_chunk_t *ck)
|
||||
{
|
||||
if (malloc_free_list == NULL) // 空闲链表为空
|
||||
{
|
||||
malloc_free_list = ck;
|
||||
ck->prev = ck->next = NULL;
|
||||
return;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
uint64_t ck_end = ck->start_addr + ck->length;
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ptr = malloc_free_list;
|
||||
while (ptr)
|
||||
{
|
||||
if (ptr->start_addr < ck->start_addr)
|
||||
{
|
||||
if (ptr->next == NULL) // 当前是最后一个项
|
||||
{
|
||||
ptr->next = ck;
|
||||
ck->next = NULL;
|
||||
ck->prev = ptr;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
else if (ptr->next->start_addr > ck->start_addr)
|
||||
{
|
||||
ck->prev = ptr;
|
||||
ck->next = ptr->next;
|
||||
ck->prev->next = ck;
|
||||
ck->next->prev = ck;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
else // 在ptr之前插入
|
||||
{
|
||||
|
||||
if (ptr->prev == NULL) // 是第一个项
|
||||
{
|
||||
malloc_free_list = ck;
|
||||
ck->prev = NULL;
|
||||
ck->next = ptr;
|
||||
ptr->prev = ck;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
ck->prev = ptr->prev;
|
||||
ck->next = ptr;
|
||||
ck->prev->next = ck;
|
||||
ptr->prev = ck;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
ptr = ptr->next;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 获取一块堆内存（不尝试扩大堆内存）
|
||||
*
|
||||
* @param size
|
||||
* @return void* 内存的地址指针，获取失败时返回-ENOMEM
|
||||
*/
|
||||
static void *malloc_no_enlarge(ssize_t size)
|
||||
{
|
||||
// 加上header的大小
|
||||
size += sizeof(malloc_mem_chunk_t);
|
||||
|
||||
// 采用best fit
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ck = malloc_query_free_chunk_bf(size);
|
||||
|
||||
if (ck == NULL) // 没有空闲块
|
||||
{
|
||||
// 尝试合并空闲块
|
||||
|
||||
malloc_merge_free_chunk();
|
||||
ck = malloc_query_free_chunk_bf(size);
|
||||
|
||||
// 找到了合适的块
|
||||
if (ck)
|
||||
goto found;
|
||||
else
|
||||
return -ENOMEM; // 内存不足
|
||||
}
|
||||
found:;
|
||||
// 分配空闲块
|
||||
// 从空闲链表取出
|
||||
if (ck->prev == NULL) // 当前是链表的第一个块
|
||||
{
|
||||
malloc_free_list = ck->next;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
ck->prev->next = ck->next;
|
||||
|
||||
if (ck->next != NULL) // 当前不是最后一个块
|
||||
ck->next->prev = ck->prev;
|
||||
|
||||
// 当前块剩余的空间还能容纳多一个结点的空间，则分裂当前块
|
||||
if (ck->length - size > sizeof(malloc_mem_chunk_t))
|
||||
{
|
||||
malloc_mem_chunk_t *new_ck = ((uint64_t)ck) + ck->length;
|
||||
new_ck->length = ck->length - size;
|
||||
new_ck->start_addr = (uint64_t)new_ck;
|
||||
new_ck->prev = new_ck->next = NULL;
|
||||
|
||||
ck->length = size;
|
||||
malloc_insert_free_list(new_ck);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 插入到已分配链表
|
||||
// 直接插入到链表头，符合LIFO
|
||||
ck->prev = NULL;
|
||||
if (malloc_allocated_list) // 已分配链表不为空
|
||||
{
|
||||
malloc_allocated_list->prev = ck;
|
||||
ck->next = malloc_allocated_list;
|
||||
malloc_allocated_list = ck;
|
||||
}
|
||||
else // 已分配链表为空
|
||||
{
|
||||
malloc_allocated_list = ck;
|
||||
ck->next = NULL;
|
||||
}
|
||||
return (void *)(ck->start_addr + sizeof(malloc_mem_chunk_t));
|
||||
}
|
||||
/**
|
||||
* @brief 获取一块堆内存
|
||||
*
|
||||
* @param size 内存大小
|
||||
* @return void* 内存空间的指针
|
||||
*/
|
||||
void *malloc(ssize_t size)
|
||||
{
|
||||
// 加上header的大小
|
||||
size += sizeof(malloc_mem_chunk_t);
|
||||
|
||||
// 采用best fit
|
||||
malloc_mem_chunk_t *ck = malloc_query_free_chunk_bf(size);
|
||||
|
||||
if (ck == NULL) // 没有空闲块
|
||||
{
|
||||
|
||||
// 尝试合并空闲块
|
||||
printf("merge\n");
|
||||
malloc_merge_free_chunk();
|
||||
ck = malloc_query_free_chunk_bf(size);
|
||||
|
||||
// 找到了合适的块
|
||||
if (ck)
|
||||
goto found;
|
||||
// 找不到合适的块，扩容堆区域
|
||||
printf("enlarge\n");
|
||||
if (malloc_enlarge(size) == -ENOMEM)
|
||||
return -ENOMEM; // 内存不足
|
||||
// 扩容后再次尝试获取
|
||||
printf("query\n");
|
||||
ck = malloc_query_free_chunk_bf(size);
|
||||
}
|
||||
found:;
|
||||
if (ck == NULL)
|
||||
return -ENOMEM;
|
||||
// 分配空闲块
|
||||
// 从空闲链表取出
|
||||
if (ck->prev == NULL) // 当前是链表的第一个块
|
||||
{
|
||||
malloc_free_list = ck->next;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
ck->prev->next = ck->next;
|
||||
|
||||
if (ck->next != NULL) // 当前不是最后一个块
|
||||
ck->next->prev = ck->prev;
|
||||
|
||||
// 当前块剩余的空间还能容纳多一个结点的空间，则分裂当前块
|
||||
if (ck->length - size > sizeof(malloc_mem_chunk_t))
|
||||
{
|
||||
malloc_mem_chunk_t *new_ck = ((uint64_t)ck) + ck->length;
|
||||
new_ck->length = ck->length - size;
|
||||
new_ck->start_addr = (uint64_t)new_ck;
|
||||
new_ck->prev = new_ck->next = NULL;
|
||||
|
||||
ck->length = size;
|
||||
malloc_insert_free_list(new_ck);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 插入到已分配链表
|
||||
// 直接插入到链表头，符合LIFO
|
||||
ck->prev = NULL;
|
||||
if (malloc_allocated_list) // 已分配链表不为空
|
||||
{
|
||||
malloc_allocated_list->prev = ck;
|
||||
ck->next = malloc_allocated_list;
|
||||
malloc_allocated_list = ck;
|
||||
}
|
||||
else // 已分配链表为空
|
||||
{
|
||||
malloc_allocated_list = ck;
|
||||
ck->next = NULL;
|
||||
}
|
||||
printf("ck=%lld\n", (uint64_t)ck);
|
||||
printf("ck->start_addr=%lld\n", ck->start_addr);
|
||||
return (void *)(ck->start_addr + sizeof(malloc_mem_chunk_t));
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 释放一块堆内存
|
||||
*
|
||||
* @param ptr 堆内存的指针
|
||||
*/
|
||||
void free(void *ptr)
|
||||
{
|
||||
}
|
||||
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