文档介绍：浅析动态内存分配及Malloc/free的实现2011-03-18 22:47一、概述:
动态内存分配,特别是开发者经常接触的Malloc/Free接口的实现,对许多开发者来说,是一个永远的话题,而且有时候也是一个比较迷惑的问题,本文根据自己的理解,尝试简单的探究一下在嵌入式系统中,两类典型系统中动态内存分配以及Malloc/Free的实现机制。
二、内存分配方式
Malloc/Free主要实现的是动态内存分配,要理解它们的工作机制,就必须先了解操作系统内存分配的基本原理。
在操作系统中,内存分配主要以下面三种方式存在:
(1)静态存储区域分配。内存在程序编译的时候或者在操作系统初始化的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在,而且其大小不会改变,也不会被重新分配。例如全局变量,static变量等。
(2)栈上的内存分配。栈是系统数据结构,对于进程/线程是唯一的,它的分配与释放由操作系统来维护,不需要开发者来
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。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时,这些存储单元会被自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,不同的操作系统对栈都有一定的限制。
(3) 堆上的内存分配,亦称动态内存分配。程序在运行的期间用malloc申请的内存,这部分内存由程序员自己负责管理,其生存期由开发者决定:在何时分配,分配多少,并在何时用free来释放该内存。这是唯一可以由开发者参与管理的内存。使用的好坏直接决定系统的性能和稳定。
三、动态内存分配概述
首先,对于支持虚拟内存的操作系统,动态内存分配(包括内核加载,用户进程加载,动态库加载等等)都是建立在操作系统的虚拟内存分配之上的,虚拟内存分配主要包括:
1、进程使用的内存地址是虚拟的(每个进程感觉自己拥有所有的内存资源),需要经过页表的映射才能最终指向系统实际的物理地址。
2、主内存和磁盘采用页交换的方式加载进程和相关数据,而且数据何时加载到主内存,何时缓存到磁盘是OS调度的,对应用程序是透明的。
3、虚拟存储器给用户程序提供了一个基于页面的内存大小,在32位系统中,用户可以页面大小为单位,分配到最大可以到4G(内核要使用1G或2G等内存地址)字节的虚拟内存。
4、对于虚拟内存的分配,操作系统一般先分配出应用要求大小的虚拟内存,只有当应用实际使用时,才会调用相应的操作系统接口,为此应用程序分配大小以页面为单位的实际物理内存。
5、不是所有计算机系统都有虚拟内存机制,一般在有MMU硬件支持的系统中才有虚拟内存的实现。许多嵌入式操作系统中是没有虚拟内存机制的,程序的动态分配实际是直接针对物理内存进行操作的。许多典型的实时嵌入式系统如Vxworks、Uc/OS 等就是这样。
四、动态内存分配的实现
由于频繁的进行动态内存分配会造成内存碎片的产生,影响系统性能,所以在不同的系统中,对于动态内存管理,开发了许多不同的算法(具体的算法实现不想在这里做详细的介绍,有兴趣的读者可以参考Glib C 的源代码和附录中的资料)。不同的操作系统有不同的实现方式,为了程序的可移植性,一般在开发语言的库中都提供了统一接口。对于C语言,在标准C库和Glib 中,都实现了以malloc/free为接