Ptmalloc總結

有關於ptmalloc的一些總結

在glibc下的ptmalloc的一點點分析。

關於chunk組織

• chunk指針指向一個chunk的開始處，而mem指針纔是真正分配給用戶的儲存空間。
• chunk的第二個域的最低一位P表示前一個chunk是不是在使用當中（0表明前一個空閒，1表明在使用當中）。
  當P爲0時，此時prev_size纔有效，第一個域表示的是前一個chunk的size，能夠經過這個值取到前一個chunk的開始地址；當P爲1時，表示前一個chunk在使用當中，prev_size無效。
  ptmalloc分配的第一個chunk老是將P設爲1，以防止程序引用到不存在的區域。
• chunk第二個域倒數第二位M（0表示是從mmap映射區域分配的，1表示heap區域分配）
• chunk第二個域倒數第三位A（1表示主分配區，0非主分配區）
• 當chunk空閒時，user_data區域儲存了4個指針。
  指針fd指向後一個空閒的chunk；
  指針bk指向前一個空閒的chunk；
  fd_nextsize以及bk_nextsize兩個指針用於加快在large bin中查找最近匹配的空閒chunk
• chunk利用標誌來管理使用和空閒的內存，減小了內存歸還所帶來的系統消耗，而且在一個未使用的chunk中，它的prev_size部分是能夠被緊挨的上一個使用的chunk空間複用的。

關於bins

用戶free掉的內存並非直接就歸還給系統，ptmalloc會統一管理heap和mmap映射區域中的空閒chunk，當用戶有分配請求時候，ptmalloc會首先在空閒的chunk中挑選一塊符合需求的交給用戶，這樣避免了頻繁的系統調用，下降了內存分配的開銷。

• ptmalloc將類似大小的chunk用雙向鏈表連接起來，這樣的一個鏈表就被叫作bin，ptmalloc一共維護了128個bin，並用一個數組來儲存這些bin
• 數組第一個是unsorted bin，ptmalloc在合併空閒的chunk時會放入，若是用戶釋放的chunk大於max_fast或者fast bins中空閒的chunk合併以後都會放入unsorted bin中。
  ptmalloc在fast bins中沒有找到合適的chunk就會進入unsorted bins中查找，若是仍是沒有找到，就會把unsorted bin彙總的chunk加入到bins當中，這樣看來，unsorted bin相似於bins中的一個緩衝區。
• 數組的2到64個bin被稱爲small bins，同一個small bin中的chunk大小相同，兩個相鄰的small bin相差8字節；
• 後面64個bin稱爲large bins，這裏面的每個bin都是一個範圍內的chunk而且是按大小序排列好的；
• fast bins
• 引入它是由於在分配時可能會常常申請和釋放一些很小的空間，分配器合併以後又須要分割，這樣太太低效，故而在不大於max_fast（默認值是64B）的chunk釋放後會先被放到fast_bins中，不去改變他們的P標誌位，因此他們沒法合併，在小於等於max_fast時首先在fast_bins中查找相應的空閒塊。
• Top chunk
  這是一開始所劃分出來的一個大空閒內存，若是bins以後尚未知足的chunk，那麼經過Top chunk來劃分一個新的chunk給用戶
• mmaped chunk
  當top chunk都不能知足時，經過mmap將頁映射到進程空間中，這樣的chunk被free時候直接解除映射歸還給系統。
• last remainder
  當所請求的chunk是一個小空間的，可是在small bins中又沒有合適的chunk，那麼從last remainder chunk中分裂出兩個chunk，一個給用戶，一個變成新的last remainder chunk。

sbrk和mmap

.bss段之上的分配給用戶程序的空間叫作堆，start_brk指向堆的開始，brk指向堆的頂部，能夠經過brk()和sbrk()來增長標識堆頂的brk的值。

在使用malloc以前brk等於start_brk，請求分配時如果請求空間小於mmap的分配閾值（mmap threshold，默認是128k），主分配區會調用sbrk()增長一塊大小爲4k的空間做爲heap。非主分配區則會調用mmap映射一塊HEAP_MAX_SIZE（32位系統下默認1M，64位系統下默認是64M）大小的空間做爲sub-heap。

ptmalloc分配概述

1. 獲取分配區的鎖，爲了防止多個線程同時訪問同一個分配區。
2. 將用戶請求的大小轉換位實際須要分配的chunk空間的大小。
3. 判斷所需分配的chunk大小是否小於max_fast，若是大於則跳轉第五步。
4. 首先城市在fast bins中查找一個chunk給用戶，若是存在則分配結束。
5. 判斷所需大小是否處在small bins中，若是chunk大小處在small bins中，則根據所需chunk大小，找到具體所在的某個索small bin，從bin的尾部摘取一個知足大小的chunk返回給用戶。不然到第六步。
6. 到了這一步說明分配的是一個大塊內存或者small bins中沒有合適的chunk。那麼首先會遍歷fast bins中的chunk與相鄰chunk合併連接到unsorted bin中，而後遍歷unsorted bin中的chunk，若是隻有一個上次分配已經使用的chunk，而且這個chunk知足small bins的要求且這個chunk符合用戶所要求的大小，那麼直接對這個chunk進行分割返回給用戶，不然將它放入small bins或者large bins中。
7. 排除了fast bins和unsorted bin中的chunk，到了這一步從large bins中找到一個合適的chunk，從中劃分一塊所需大小的chunk，並將剩餘部分連接回bins中，若分配成功則結束，不然下一步。
8. 若是bins中都沒有合適的chunk，那麼則對top chunk進行分割來分配給用戶，成功則結束，不然下一步。
9. 到了這一步證實top chunk不能知足需求，那麼對於主分配區就調用sbrk()來增長top chunk的大小；對於非主分配區則會調用mmap來分配一個新的sub-heap增長top chunk的大小或者直接mmap()直接映射分配。

關於內存的回收

1. free()函數也會先獲取分配區的鎖。
2. 判空，若是是空直接return。
3. 判斷所需釋放的chunk是否是mmaped chunk，如果是，直接調用munmap()釋放mmaped chunk，解除內存映射。不然下一步。
4. 判斷chunk的大小和所處的位置，若是chunk_size<=max_fast，而且chunk不在堆頂，也就不與top chunk相鄰，則轉到下一步，不然轉到第六步。
5. 將chunk放到fast bins中，將chunk放入到fast bins中，並不修改當前的chunk的使用標誌P，以後釋放結束從free()中返回。
6. 判斷前一個chunk是否在使用當中，若是前一個塊也是空閒塊那麼進行合併。
7. 判斷當前釋放的下一個塊是否是top chunk，若是是則轉到第九步，不然下一步。
8. 判斷下一個chunk是否處在使用中，若是下一個chunk也是空閒的則合併後放入unsorted bin中。
9. 若是執行到這一步，說明釋放了一個和top chunk相鄰的chunk。
10. 判斷合併後的chunk大小是否大於FASTBIN_CONSOLDATION_THRESHOLD(默認64KB)，若是是則觸發進行fast bins的合併操做。
11. 判斷top chunk是否大於mmap的收縮閾值（默認128K），若是是的話，對於主分配區，則會試圖歸還top chunk中的一部分給操做系統。