Memory Management Tutorial--翻译

内存管理教程第1节简介大多数数据结构设计来存储和访问相同大小的对象。

典型的例子就是一个整数存储在一个列表或一个队列。

一些应用需要变长的记录储存信息的能力，比如一串任意长度的字符串。

一个办法是储存在链表或一组指针队列，每一个指针都必须指向的任意大小的连续空间。

这适用于数据结构在内存的存储。

但是如果收集的字符串必须是储存在硬盘上，那么我们也许需要担心这些字符串究竟是如何存放。

甚至当保存在内存中的，有些字符串也必须计算出在哪里才能有效保存。

在一个语言，如c++或Java，程序员可以在需要的时候分配空间(或隐或显地声明新变量)。

这个空间来自哪里? 本节讨论内存管理技术，处理要求可变大小的空间的一般性问题。

内存管理的基本模型的就是我们有一个(大)块连续的内存位置，我们称内存池。

在一定周期内，要求能在池中申请分配一定数量的内存。

一个内存管理器的工作是在内存池中找到连续的、足够的大小的内存块，以满足申请需求。

这种申请过程叫做内存分配。

一般内存管理器会返回的一些申请者所需内存的信息，这样在之后管理器就可以恢复这些数据。

这些信息称之为句柄。

从某种意义上说，空间可能已经不再被需要，并且这些空间可以回到了内存管理器，以便它可以回收再利用，这就是所谓的内存回收。

我们可以顶一个ADT（抽象数据类型）一个简单的内存管理器，用于存储可变长整数的数组，如下:// Memory Manager abstract classinterface MemManager {// Store a record and return a handle to itpublic MemHandleinsert(int[] info);// Release the space associated with a recordpublicvoid release(MemHandleh);// Get back a copy of a stored recordpublicint[] getRecord(MemHandleh);}MemManager ADT的用户提供一个指针(参数信息)来隔开空间存储或收回的信息。

这类似于c++基本的文件的读/写的方法。

基本理念是客户提供消息，内存管理器妥善保管。

内存管理的作用是:以一个“收据”的形式，返回一个MemHandle对象的消息。

客户持有MemHandle 对象直到它希望得到回馈消息。

insert方法让客户告诉内存管理器需要的内存空间的长度和内容。

这个ADT假设内存管理器将会记得已经分配的句柄的长度的相关信息，这样一来getRecord方法就不需要包括长度参数信息，而是返回实际存储信息。

release方法允许客户告诉内存管理器释放包含了给定的信息的空间。

当所有的插入和释放遵循一个简单的模式，如最后申请的最先释放(栈的顺序)或最先申请最先释放(队列顺序)、内存管理将会相当的容易。

但在这里我们所关注的与一般情形，任意大小的块可能被要求以任何顺序释放。

这就是所谓的动态存储分配。

一个动态存储分配的例子是为编译器的运行时环境管理空闲的内存，如在c++中系统级的new和delete操作。

另一个例子是在一个多任务管理操作系统的内存管理，在这里，一个程序可能需要一定的空间，内存管理必须追踪程序正在使用的内存的是在哪个部分。

另一个例子是为磁盘驱动器做一个文件管理器，当一个磁盘文件被创建出来，扩大或删除，文件管理器必须动态或静态的分配的磁盘空间。

一块托管的内存或磁盘空间，有时被称为一个“堆”。

术语“堆”在这里不同于堆数据结构，而是用来实现一个优先队列。

这里“堆”系动态内存管理的内存操作方案。

接下来的教程中，我们首先研究动态内存管理技术。

然后我们来这样的问题：当遇到一个内存请求时，内存池中没有足够大的内存块。

第2节动态存储分配为了动态存储分配，我们把内存看做一个单一的被分割成一系列可变大小的块的数组，有的块是空闲的，有的块已经被使用。

空闲的块连在一起形成一个空闲列表，这个表用来服务将来的请求。

这说明了会出现当进行一系列内存分配和重新分配后内存会上升的情况。

图2.1:这是一系列内存分配和回收后的结果。

内存是由一系列可变大小的块组成，一些已被分配，一些是空闲的。

在这个例子中，阴影区代表内存已被分配，没有阴影的区域代表未被使用的内存，将来可用被分配。

当接收到一个内存管理器的内存请求，一些空闲列表上的块必须被找到，这些快要足够大才能满足需求。

如果没有这样的块，内存管理器就必须依靠失败策略，正如第三章所讨论的——失败策略和垃圾回收。

如果有一个m个单词（大小）的请求，但是已经没有m个单词大小的块存在，那么必须使用一个更大的块代替。

在这种情况下，在这种情况下，一种可能性是用请求分配所有块来取代。

当这个大小的块只稍微比请求的要大，这可能容易满足要求。

这是因为保存一个太小而不实用的块对于将来的内存请求来说是不值得的。

另外，对于一个k大小的空闲块，当k>m，k - m以上的空间必须由内存管理器保存以形成一个空闲的块，而其余的都是用来服务请求的。

内存管理会受到两种类型的（内存）碎片。

外部碎片发生在一系列多而又小块的内存请求，没有比这个更典型的但是很实用的请求了。

内部碎片发生在请求了m个单词而分配超过m个单词的空间，浪费了内存。

这些原因导致了内部碎片和外部碎片之间区别。

（下图的）标有“外部碎片”的小白块太小无法满足一般的请求。

标有“内部碎片”的小灰色块是被分配一直到小灰色块的左边，但它实际上并没有存储信息。

图2.2:说明内部和外部的碎片。

一些内存管理方案以牺牲内部碎片来使内存管理更加容易（或者说是减少外部碎片）。

例如，外部碎片不会发生在批量分配文件空间的文件管理系统里。

另一个为了简单管理内存而牺牲内部碎片的友好方法（buddy method）将在接下来的章节中阐述。

在内存池中寻找一个足够大的快一满足需求的过程，可能保留剩余空间作为一个空闲块，这称为Sequential-Fit（顺序匹配）方法。

第2.1节- Sequential-Fit方法Sequential-fit方法试图找出一个“好”块以满足请求。

这里描述的三个sequential-fit方法假定空闲块组织成双链表，如下图所示。

图2.1.1:一个连接空闲块的双链表（freelist）在内存管理器里的视图。

阴影区代表已分配内存。

无阴影区是空闲表（freelist）的一部分。

有两个基本方法实现空闲表。

一个比较简单的方法就是将空闲表的保存从内存池中分离。

换句话说，实现一个简单的链表即可，链表的每个结点保存一个指向空闲块的指针。

这是很好的方法，如果有可用空间提供给链表本身，就能把它从内存池分离。

第二种方法来存储空闲表较为复杂，但节省空间。

因为空闲空间是未使用的，它可以被应用于帮助内存管理器的工作。

也就是说，内存管理器暂时“借”空闲空间来维持其双链表。

为了这么做，每一块未分配的块必须足够大，才能保存这些指针。

此外，这通常是值得让内存管理器添加一些字节的空间到每个保留的块来达到它们的目的。

换句话说，要求m字节的空间会导致略多于m字节的内存被管理器分配，内存管理器使用了额外的字节，这大于请求者所需。

我们假设所有的内存块组织的详情如下图，有这标签的空间和链表的指针。

在这里，空闲块和保留块都有一个开始和结束位置标签位来作为它们的特征，原因之后解释。

另外，空闲块和保留块都有个大小指示器紧跟在开始的标签位，用于标记块的大小。

空闲块会有第二个大小指示器在结束标签之前。

最后，在空闲块表里，相邻空闲块具有左和右的两个指针。

图2.1.2:内存管理器的块视图。

每个块都包含了额外的信息，如空闲表的连接指针，开始和结束标签，大小的字段。

(a)空闲块的布局。

块的开始部分包含标签位字段、块大小的字段和两个指向空闲表的指针。

块的末尾包含了第二个标签字段和第二个块大小字段。

(b)一个保存了k字节数据的保留块。

内存管理器添加这些k字节后用一个额外的标签位字段和一个块大小字段到一个块的开始部分以及第二个标签字段到块的尾部。

信息字段随着每个块的分配而分配，并允许内存管理器在需要的时候分配和释放。

当有一个m字母的存储请求时，内存管理器搜索这个链表的空闲块，直到找到“合适”的块。

如何判定那块是合适的将在下面讨论。

如果某块包含恰好的m个字母（加上标签和大小的字段空间），将其从空闲表中去掉。

如果某块(大小的k)足够大的话，那么剩下的k-m个字母作为空闲表中的一个块，在当前的位置。

当一个块F被释放，它必须归入空闲表。

如果我们不关心合并相邻空闲块，这将是一个简单的双链表插入空闲块的方法。

然而，我们很希望相邻区块合并，因为这使得内存管理器可以响应更大的空间的请求。

合并很容易，因为那些标签和字段被保存在了块的首尾，如下图所示。

在这里，内存管理器首先快速确认内存单元，看在F块之前的块(称之为P)是不是空闲的。

如果是，那么在P的标签位之前的记忆单元保存这P的大小，标记了这块在内存中的开始位置。

P能简单的有个大小延伸至块F。

如果P不是空闲的，那么我们就把F块加入空闲表。

最后，我们也检查F块的最后位。

如果这里标记了之后的块(称之为S)是空闲的，那么S将从空闲表中移除，然后F的大小适当变大。

图2.2.1:添加块F到空闲表。

内存池中F开始之前的字段保存P块的标签位。

如果P是空闲的，合并F到P，我们用F的大小字段找到F的末尾。

这个字段是跟在F的末尾，是S块的标签字段。

如果S是空闲的，合并到F。

我们现在考虑怎样选择一个“合适”空闲块来响应请求。

为了说明这个过程，假设我们有一个内存池与200个存储单元。

经过一系列的分配请求和释放后，我们已达到一个点，那里有四个空闲的块在空闲表上，大小分别是25，35，32和45（在队列里）。

假定一个请求需要30个存储单元。

在我们的这些例子中，我们忽略了标签、链接、大小字段等这些前面所说过的东西。

第2.1.1节-第一适配（First Fit）最简单的方法是选择一块空闲块向下移动，直到找到一个至少30大小的块。

这块里的任何剩余空间在空闲表的左边。

如果我们从表的头部开始，一直到第一个至少30大小的空闲块，我们选择了一个大小35的块。

30单位的存储空间将被分配，留下一个5单位空间的空闲块。

因为这种方法选择第一个足够大的块，所以它被成为第一适配。

第2.1.2节-循环适配（Circular Fit）一个简单的变化就能提高性能：比起总是空闲表的头开始，记住上一次的搜索位置，然后从这里开始。

当搜索到空闲表的末尾时，再次从头开始搜索。

这个修改减少了不必要的搜索次数，跳过了上次请求过的那些小块。

第2.1.3节-最佳适配（Best Fit）第一适配有一个潜在的缺点：它可能会“浪费”掉更大的块，因为它把这些大块分割了，这些大块就不能在之后提供给一些大请求。