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Linux 内核内存池原理与实现___alloc_size__

__alloc_size__


1. 内存池原理

实际开发中,为了避免频繁执行malloc/fre产生的内存碎片,通常会在程序中设计单独的内存管理模块,即内存池。原理:程序启动时为内存池申请一块比较大的内存区,程序在使用内存时全部是由内存池进行分配的,不再使用内存时,交给内存池回收,用于再次分配,优点在于内存分配效率的提升。

2. 内存池数据结构源码分析

2.1 数据结构

typedef struct mempool_s {
	spinlock_t lock;  // 防止多处理器并发引入的一种锁
	int min_nr;		// elements 数组中的成员数量
	int curr_nr;		// 当前elements数组中空闲的成员数量 
	void **elements;   // 用来存放内存成员的二维数组,长度:min_nr 宽度:各个内存对象的长度

	void *pool_data;  // 内存池与内核缓冲区结合使用(这个指针专门用来指向这种内存对象对应的缓存区的指针)
	mempool_alloc_t *alloc; // 用户在创建一个内存池对象时,提供的内存分配函数。
							//(此函数可以是用户自己定义的,也可以是系统提供的API)
	mempool_free_t *free;  // 内存释放函数
	wait_queue_head_t wait; // 任务等待队列 
} mempool_t;
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2.2 内存池创建函数

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2.3 内存池分配内存

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2.4 内存对象重新放到内存池

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3. 内存池设计实现(简单的内存池程序)

3.1 设计思路

  • 获取内存映射表的位置
  • 获取内存所在位置
  • 获取内存分配表的位置
  • 内存池初始化
  • 内存分配
  • 内存释放
  • 内存池销毁

3.2 代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define ALLOC_SIZE 8
#define LOOP 5
#define MAX_POOL_SIZE 1024 * 1024 
#define BLOCK_SIZE 64

typedef struct memory_map_table {
    char *p_block;
    int index;
    int used;
}Memory_Map_Table;

typedef struct memory_alloc_table {
    char *p_start;
    int used;
    int block_start_index;
    int block_cnt;
}Memory_Alloc_Table;

typedef struct memory_pool {
    char *memory_start;
    Memory_Alloc_Table *alloc_table;
    Memory_Map_Table *map_table;
    int total_size;
    int internal_total_size;
    int increment;
    int used_size;
    int block_size;
    int block_cnt;
    int alloc_cnt;
}Memory_Pool;

// 获取内存映射表所对应的位置
Memory_Map_Table *map_table_pos(Memory_Pool *pool) {
    Memory_Map_Table *pm = (Memory_Map_Table *)(pool->memory_start + sizeof(Memory_Pool));
    return pm;
}

// 获取内存分配表
Memory_Alloc_Table *alloc_table_pos(Memory_Pool *pool) {
    Memory_Alloc_Table *pm = (Memory_Alloc_Table *)(pool->memory_start + sizeof(Memory_Pool) \
        + sizeof(Memory_Map_Table) * (pool->block_cnt));
    return pm;
}

// 获取内存所在位置
char * memory_pos(Memory_Pool *pool) {
    char *pm = (char *)(pool->memory_start + sizeof(Memory_Pool) \
        + (sizeof(Memory_Map_Table) + sizeof(Memory_Alloc_Table)) * pool->block_cnt);
    
    return pm;
}

// 初始化内存池
Memory_Pool *Memory_pool_init(int size, int increment) {
    char *p = NULL;
    char *p_memory = NULL;
    Memory_Pool *pool = NULL;
    Memory_Alloc_Table *alloc_table = NULL;
    Memory_Alloc_Table *p_alloc_table = NULL;
    Memory_Map_Table *map_table = NULL;
    Memory_Map_Table *p_map_table = NULL;

    int block_cnt = 0;
    int all_size = 0;
    int i = 0;

    if (size < 0 || size > MAX_POOL_SIZE) {
        printf("Memory_pool_init(): Invalid size(%d). \n", size);
        return pool;
    }

    block_cnt = (size + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE;
    all_size = sizeof(Memory_Pool) + (sizeof(Memory_Map_Table) + sizeof(Memory_Alloc_Table)) * block_cnt + size;

    p = (char *)malloc(all_size);

    if (p == NULL) {
        printf("Malloc Failed.\n");
        return pool;
    }

    memset(p, 0, all_size);
    pool = (Memory_Pool *)p;
    pool->block_cnt = block_cnt;
    pool->block_size = BLOCK_SIZE;
    pool->increment = increment;
    pool->internal_total_size = BLOCK_SIZE * block_cnt;
    pool->total_size = size;
    pool->used_size = 0;
    pool->alloc_cnt = 0;
    pool->memory_start = p;

    p_memory = memory_pos(pool);
    map_table = map_table_pos(pool);
    for (i = 0; i < block_cnt; i ++) {
        p_map_table = (Memory_Map_Table *)((char *)map_table + i * sizeof(Memory_Map_Table));
        p_map_table->index = 0;
        p_map_table->p_block = p_memory + i * BLOCK_SIZE;
        p_map_table->used = 0;
    }

    alloc_table = alloc_table_pos(pool);
    for (i = 0; i < block_cnt; i ++) {
        p_alloc_table = (Memory_Alloc_Table *)((char *)alloc_table + i * sizeof(Memory_Alloc_Table));
        p_alloc_table->block_cnt = 0;
        p_alloc_table->block_start_index = 1;
        p_alloc_table->p_start = NULL;
        p_alloc_table->used = 0;
    }
    
    printf("Memory_pool_init: total size: %d, block cnt: %d, block size: %d\n", \
        pool->total_size, pool->block_cnt, BLOCK_SIZE);

    return pool;
}

// 分配内存
void *Memory_alloc(Memory_Pool *pool, int size) {
    char *p_start = NULL;
    int need_block_cnt = 0;
    Memory_Alloc_Table *alloc_table = NULL;
    Memory_Alloc_Table *p_alloc_table = NULL;
    Memory_Map_Table *map_table = NULL;
    Memory_Map_Table *p_map_table = NULL;

    int block_cnt = 0;
    int start_index = -1;
    int i = 0;

    if (size <= 0) {
        printf("Memory_alloc(): Invalid size(%d) \n", size);
        return p_start;
    }
    
    if (size > pool->total_size) {
        printf("Memory_alloc(): %d is more than total size.\n", size);
        return p_start;
    }

    if (size > pool->total_size - pool->used_size) {
        printf("Memory_alloc(): free memory(%d) is less than allocated(%d).\n ", pool->total_size - pool->used_size, size);
        return NULL;
    }

    need_block_cnt = (size + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE;
    map_table = map_table_pos(pool);
    
    start_index = -1;
    for (i = 0; i < pool->block_cnt; i ++) {
        p_map_table = (Memory_Map_Table *)((char *)map_table + i * sizeof(Memory_Map_Table));
        if (p_map_table->used) {
            block_cnt = 0;
            start_index = -1;
            continue;
        }

        if (start_index == -1) 
        start_index = i;
        block_cnt ++;

        if (block_cnt == need_block_cnt) 
            break;
    }

    if (start_index == -1) {
        printf("No available memory to used.\n");
        return NULL;
    }

    alloc_table = alloc_table_pos(pool);

    for (i = 0; i < pool->block_cnt; i ++) {
        p_alloc_table = (Memory_Alloc_Table *)((char *)alloc_table + i * sizeof(Memory_Alloc_Table));
        if (p_alloc_table->used == 0) 
            break;
        p_alloc_table = NULL;
    }

    if (p_alloc_table == NULL) {
        return NULL;
    }
    
    p_map_table = (Memory_Map_Table *)((char *)map_table + sizeof(Memory_Map_Table) * start_index);
    p_alloc_table->p_start = p_map_table->p_block;
    p_alloc_table->block_start_index = p_map_table->index;
    p_alloc_table->block_cnt = block_cnt;
    p_alloc_table->used = 1;

    for (i = start_index; i < start_index + block_cnt; i ++) {
        p_map_table = (Memory_Map_Table *)((char *)map_table + i * sizeof(Memory_Map_Table));
        p_map_table->used = 1;
    }

    printf("Alloc size: %d, Block: (start: %d, end: %d, cnt: %d) \n", \
        size, start_index, start_index + block_cnt - 1, block_cnt);
    pool->block_cnt ++;
    pool->used_size += size;

    return p_alloc_table->p_start;    
}

// 内存释放
void Memory_free(Memory_Pool *pool, void *memory) {
    Memory_Alloc_Table *alloc_table = NULL;
    Memory_Alloc_Table *p_alloc_table = NULL;
    Memory_Map_Table *map_table = NULL;
    Memory_Map_Table *p_map_table = NULL;

    int i = 0;
    int block_start_index = 0;
    int block_cnt = 0;

    if (memory == NULL) {
        printf("Memory_free(): memory is NULL.\n");
        return;
    }

    if (pool == NULL) {
        printf("Pool is NULL.\n");
        return;
    }

    alloc_table = alloc_table_pos(pool);
    for (i = 0; i < pool->alloc_cnt; i ++) {
        p_alloc_table = (Memory_Alloc_Table *)((char *)alloc_table + i * sizeof(Memory_Alloc_Table));
        if (p_alloc_table->p_start == memory) {
            block_start_index = p_alloc_table->block_start_index;
            block_cnt = p_alloc_table->block_cnt;
        }
    }

    if (block_cnt == 0) {
        return;
    }

    map_table = map_table_pos(pool);
    printf("Block_Free: start: %d, end: %d, cnt: %d\n", block_start_index,\
        block_start_index + block_cnt - 1, block_cnt);
    
    for (i = block_start_index; i < block_start_index + block_cnt; i ++) {
        p_map_table = (Memory_Map_Table *)((char *)map_table + i * sizeof(Memory_Map_Table));
        p_map_table->used = 0;
    }

    p_alloc_table->used = 0;
    pool->used_size = block_cnt *BLOCK_SIZE;

    return;
}

// 销毁内存池
void Memory_pool_destroy(Memory_Pool *pool) {
    if (pool == NULL) {
        printf("Memory_pool_destroy: pool is NULL.\n");
        return;
    }

    free(pool);
    pool = NULL;

    return;
}

int main() {
    Memory_Pool *pool = NULL;
    char *p1 = NULL;
    int i = 0;

    pool = Memory_pool_init(1024, 512);
    if (pool == NULL) {
        printf("Memory_pool_init error.\n");
    }

    for (i = 0; i < 2; i ++) {
        p1 = (char *)Memory_alloc(pool, ALLOC_SIZE);
        if (p1 == NULL) {
            printf("Malloc failed.\n");
        } else {
            printf("Malloc success.\n");
        }
        Memory_free(pool, p1);
    }
    Memory_pool_destroy(pool);
    return 0;
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参考

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