内存分配[一] - 空闲链表和内存池

术道经纬 2020-04-13

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一个内存分配方法的好坏，一是体现在分配的速度上，其重要性在内存容量较大时会显得尤其明显，二是体现在对内存这种有限资源的使用率上。如果空闲内存被分割成了许多无法利用的小内存块（也就是俗称的内存碎片），那么即便系统中空闲内存的总量还很多，也可能无法满足程序内存分配的需求。

本系列文章将由浅入深，介绍内存分配常见的几种实现方式及其各自的应用场景。

空闲链表（free list）

将内存中所有的空闲内存块通过链表的形式组织起来，就形成了最基础的free list。内存分配时，扫描free list的各个空闲内存块，从中找到一个大小满足要求的内存块，并将该内存块从free list中移除。内存释放时，释放的内存块被重新插入到free list中。

假设现在内存的使用情况是这样的：

灰色部分代表已经被分配的内存块，白色部分代表空闲的内存块，大小分别是48字节，16字节和96字节。

如果此时内存分配的申请是12个字节，那么将有几下三种策略可以选择：

First fit（最先适配），就是从free list头部开始扫描，直到遇到第一个满足大小的空闲内存块，这里第一个48字节的内存块就可以满足要求。这种方法的优点是相对快一些，尤其是满足要求的空闲内存块位于链表前部的时候，但是在控制碎片数量上不是最优的。

Best fit（最佳适配），就是遍历free list的所有空闲内存块，从中找到和所申请的内存大小最接近的空闲内存块，这里第二个16字节的内存块是最接近12字节的。

Worst fit（最差适配），也是遍历free list的所有空闲内存块，如果找不到大小刚好匹配的，就从最大的空闲内存块中分配。初看起来很反直觉是不是？但假设接下来的内存申请是64个字节，那只有worst fit的这种方法才能满足需求，所以其价值体现在：分配之后剩下的空闲内存块很可能仍然足够大。

以上讨论的是内存分配的情况，接下来看看内存释放的操作是怎样的。

假设从第80字节到第100字节中间的20字节内存被释放了，那么它将和前面相邻的空闲内存块合并：

接下来从第100字节到第112字节中间的12字节内存也被释放了，那么它将同时和前后相邻的空闲内存块合并：

不过，既然用到了链表，那就需要指针，而指针本身也是要占用内存空间的。而且在内存释放时，要判断被释放的内存块前后的内存块是不是也是空闲的，这就需要每个内存块有一个空闲状态的标志位。

可以采用的一种方式是bitmap，假设以4个字节为最小分配单位，那么每4字节需要一个bit，因此额外消耗的内存为1/32。

空闲链表的分配方式简单，但分配效率不高，运行一段时间后容易产生大量的内存碎片，从而恶化了内存利用率。

如果能将一大块内存分成多个小内存（称为内存池），不同的内存池又按照不同的「尺寸」分成大小相同的内存块（比如分别按照32, 64, 128……字节），同一内存池中的空闲内存块按照free list的方式连接。

每次分配的时候，选择和申请的的内存在「尺寸」上最接近的内存池，比如申请60字节的内存，就直接从单个内存块大小为64字节的内存池的free list上分配。

这样减少了free list链表的长度，能够缩短每次内存分配所需的线性搜索的时间，特别适合对实时性要求比较高的系统（比如RTOS）。

但要想取得好的效果，需要结合系统实际的内存分配需求，对内存池的大小进行合理的划分。比如一个系统常用的是256字节以下的内存申请，那设置过多的256字节以上的内存池，就会造成内存资源的闲置和浪费。

似乎不是很好把控到底怎样划分内存池最为合适？下文将要介绍的Linux中的buddy分配系统，将基于普通的内存池进行优化，以更贴合大型操作系统对内存管理的需求。

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