Buddy memory allocation (伙伴内存分配器)

云风 2011-12-20 21:38

今天吃晚饭的时候想到,我需要一个定制的内存分配器。主要是为了解决共享内存中的字符串池的管理。

这个内存分配器需要是非入侵式的,即不在要分配的内存块中写 cookie 。

而我的需求中,需要被管理的内存块都是很规则的,成 2 的整数次幂的长度。buddy memory allocation刚好适用。

算法很简单,就是每次把一个正内存块对半切分,一直切到需要的大小分配出去。回收的时候,如果跟它配对的块也是未被使用的,就合并成一个大的块。标准算法下,分配和释放的时间复杂度都是 O(log N) ,N 不会特别大。算法的优点是碎片率很小。而且很容易做成非入侵式的,不用在被管理的内存上保存 cookie 。只需要额外开辟一个二叉树记录内存使用状态即可。

我吃完饭简单 google 了一下,没有立刻找到满足我要求的现成代码。心里估算了一下,C 代码量应该在 200 行以下,我大概可以在 1 小时内写完。所以就毫不犹豫的实现了一份。

然后,自然是开源了。有兴趣的同学可以去 github 拿一份。这样就省得到再需要时再造轮子了。嘿嘿。

btw, 当然这块代码有许多值得优化的地方,比如可以把里面的递归优化成循环回溯。这个算法我读初中时经常写。因为初一那个时候参加信息学奥赛时用的 basic 不支持局部变量,全部变量都是全局的,很难实现递归。所以早期我都不用递归遍历二叉树的,感觉写起来好麻烦。

不过循环回溯遍历树应该是比递归快不少的,因为减少了许多不必要的环境变量压栈,对不支持 closure 的 C 语言尤其是。

这个库用起来很简单。它并不实际管理内存(它不侵入被管理的内存)。你可以设想你另外有一大块内存是由许多最小单位块合起来的。你可以假设最小单位是 1K 。那么用buddy_new(10)就可以帮你管理 1024K 内存。

buddy_alloc可以请求若干个最小单位块,返回一个序号。然后用户可以自己去大内存上索引出来用。用完调用buddy_free归还即可。

为了调试方便,我还提供了buddy_dump打印二叉树的细节,可以直观的看出那些内存区域未被使用,哪些已经被占用。

ps. 果然,写这篇 blog 花掉的时间比完成这些代码时间更长。代码也如我所料的没有超过 200 行。看看,把东西描述清楚就是比实现一个东西要花更长的时间,这就是项目人多反而做的慢的原因之一吧。

12 月 21 日:

感觉用了递归很不爽, 所以重写了实现, 改用完全二叉树储存, 去掉了递归. 并且(也是主要原因) 减少了内存占用.

如果需要优化的话, 应该加一组 free list , 这个再说。我自己的需求中,时间性能并不太敏感。

12 月 25 日: 楼下有 wuwenbin 提到可以在节点中保存最大连续空闲区域来优化分配过程. 这样代码更短小, 速度也可以快一点. 唯一的缺憾是内存略微消耗的多一点点. 实现在https://github.com/wuwenbin/buddy2

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