dlmalloc解析连载四

雨点打透心脏的1/2处 2022-08-06 05:13 145阅读 0赞

上两篇讲解的chunk块是dlmalloc内比较细粒度的管理结构，比它们更大的内存块被称之为段（segment），其结构体以及相关定义如下：

struct malloc\_segment \{

char\*        base;             /\* base address \*/

size\_t       size;             /\* allocated size \*/

struct malloc\_segment\* next;   /\* ptr to next segment \*/

flag\_t       sflags;           /\* mmap and extern flag \*/

\};

\#define is\_mmapped\_segment(S)  ((S)->sflags & IS\_MMAPPED\_BIT)

\#define is\_extern\_segment(S)   ((S)->sflags & EXTERN\_BIT)

typedef struct malloc\_segment  msegment;

typedef struct malloc\_segment\* msegmentptr;

英文注释很清晰，字段base表示该segment段的起始地址，size表示该segment段的大小，sflags是一个标记字段（两个标记，一个用于标记该segment段是否为通过mmap申请，一个用于标记该segment段是否已经分配），而字段next用于指向下一个segment段，从而形成单链表结构。记录该单链表表头的变量同样定义在结构体malloc\_state内，如下：

msegment seg;

这是个结构体变量，而不是结构体指针变量，这一点需要注意。刚才已经提到多个segment段是通过next形成单链表结构来组织管理的，dlmalloc也没有对它们做其它特别的索引处理，因此查找某一个segment段需要在该单链表内线性扫描查找，不过大多数情况下，segment段应该是非常少的，所以并不会造成多大的性能损失。

在dlmalloc中对malloc\_chunk、malloc\_tree\_chunk、malloc\_segment给出了一个统一的管理结构体，那就是前面反复提到的结构体malloc\_state，其具体定义如下：

struct malloc\_state \{

binmap\_t   smallmap;

binmap\_t   treemap;

size\_t     dvsize;

size\_t     topsize;

char\*      least\_addr;

mchunkptr  dv;

mchunkptr  top;

size\_t     trim\_check;

size\_t     magic;

mchunkptr  smallbins\[(NSMALLBINS+1)\*2\];

tbinptr    treebins\[NTREEBINS\];

size\_t     footprint;

size\_t     max\_footprint;

flag\_t     mflags;

\#if USE\_LOCKS

MLOCK\_T    mutex;     /\* locate lock among fields that rarely change \*/

\#endif /\* USE\_LOCKS \*/

msegment   seg;

\};

typedef struct malloc\_state\*    mstate;

该结构体中的一些字段在前面已经详细分析过了，比如smallbins、treebins和seg。其它几个字段的作用，现在也一一说明如下：

smallmap是一个位图，用于标记对应的smallbins链表是否为空，1表示非空，0表示空。

treemap也是一个位图，用于标记对应的treebins树是否为空，1表示非空，0表示空。

dv和dvsize指向一个chunk块（dvsize记录该chunk块大小），该chunk块具有一个特点就是：它是从最近的一次被用来服务小于256字节内存申请的chunk块中分裂出来的chunk块。比较拗口，简单点说就是为了更有效的利用程序的局部性原理，即对于应用程序的一连续小块内存申请请求，dlmalloc总是尽量从同一个chunk块获取空闲内存来满足这些请求，因此分配给应用程序的内存都是在挨得比较进的地址空间内，从局部性原理可以知道，这种内存分配方式在一定程度上可以提高应用程序的性能。当然，这种分配方式只是尽量，如果有其它更好的chunk块选择（比如刚好有某个chunk大小就是应用程序申请的内存大小）则会选择其它chunk块来分配内存，这在后面具体代码的分析过程中会看到。

top 和topsize也是指向一个chunk块（topsize记录该chunk块大小），该chunk块比较特殊，它位于当前活跃segment段（即最近被用来分配空间服务应用程序内存请求的）的最顶端，在最顶端的好处就是它可以自由伸缩（通过库函数sbrk()），因此大小可变。在segment段中间的那些chunk块大小一般不可变，但是有两种情况会变动，一是分配出去一部分内存用于满足应用程序申请，此时chunk块变小；二是，当应用程序释放内存（free()）时，dlmalloc将检查该释放内存是否可与前后空闲内存合并，此时就可能导致chunk块变大。

字段least\_addr用来记录可获取的最小内存地址，直白点说就是相当于一个边界点，用于做越界安全检查。

字段trim\_check用来记录一个临界值。我们知道应用程序free内存空间时，该释放的内存空间并没有直接返还给系统而是被送回dlmalloc中进行管理。当释放的内存空间越来越多时，dlmalloc中管理的空闲chunk块也会变得越来越大（即由于多个连续空闲块合并的结果），对于一个segment段中间的空闲chunk块没有办法释放给系统（因为释放中间的空闲chunk块会将segment段切断），但是对于顶端（top）的chunk块则可以自由伸缩的，缩小顶端的chunk块也就是将空闲内存真正的返还给系统。那什么时候需要缩小顶端的chunk块呢？字段trim\_check就是记录的这个临界值。当顶端的chunk块大小大于字段trim\_check记录的值时就要进行缩减操作了，具体情况在后面源码分析时再看。

其它几个字段不是我们主要关注的内容且比较简单，比如字段magic用于做确认检查；字段mflags用于标记一些属性，比如启用mmap、禁用连续分配，……；字段footprint记录从系统获得的字节数目；字段max\_footprint记录从系统获得的最大字节数目；字段mutex用于多线程互斥锁等等，在此就不做过多介绍了。

dlmalloc定义了一个结构体malloc\_state的全局变量，相关代码如下：

static struct malloc\_state \_gm\_;

\#define gm                 (&\_gm\_)

\#define is\_global(M)       ((M) == &\_gm\_)

\#define is\_initialized(M)  ((M)->top != 0)

变量\_gm\_是结构体malloc\_state的静态全局变量，因此当使用dlmalloc的应用程序被加载运行时，变量\_gm\_自动初始化为全0，这对于dlmalloc是十分重要的（例如\_gm\_结构体字段seg也为全0）；另外还有一个gm宏，其值被定义为\_gm\_的地址，因此可以当指针一样使用它。其它两个宏is\_global和is\_initialized很明朗，无需多说。

总结起来，可以看到dlmalloc利用静态全局变量\_gm\_管理着segment段，小块空闲chunk块、大块空闲chunk块以及其它相关信息，所有的内存分配和释放都是围绕着\_gm\_进行的。

下篇开始具体的源码分析吧。

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