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实验报告.md

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+# 总体设计
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+使用了 Segregated Fits 算法来管理内存。
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+将空闲块按照大小分成不同的类，并将每个类的空闲块用链表连接起来。
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+每个空闲块都有一个 header 和一个 footer，与 Implicit list 算法相同。
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+![fcd0a39fd6575b987d0d947c9483b48](https://aquaoh.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/post/fcd0a39fd6575b987d0d947c9483b48.jpg)
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+每个 free block 的第一个字保存指向 list 中下一个 free block 的指针，第二个字保存指向前一个 free block 的指针。
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+因此，每个 block 的最小值为 16 bytes,heap 地址的前 18 个字分别保存 18 个 list 的头指针,平衡了搜索时间和空间利用率.
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+![v2-0fa13eb8c700ec0e3fbfd1e4ae40f14d_1440w](https://aquaoh.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/post/v2-0fa13eb8c700ec0e3fbfd1e4ae40f14d_1440w.jpg)
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+### 功能和算法
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+- **空闲块链表**：将空闲块按照不同的大小类别分组管理，使用链表将相同大小的空闲块连接起来，方便查找合适大小的空闲块。
+- **合并相邻空闲块**：在释放内存块时，尝试合并相邻的空闲块，以便合理利用空间。
+- **扩展堆大小**：通过 `mem_sbrk` 来扩展堆的大小，以满足额外的内存需求。
+- **计算空闲块大小**：使用类似于分级的方式将不同大小的空闲块进行分组管理，便于快速查找合适大小的空闲块。
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+## 额外的函数设计
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+### extend_heap
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+作用:扩展heap的大小
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+流程如下：
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+- 定义一个指针变量`bp`和一个大小变量`size`。
+- 根据参数`words`来计算需要分配的字节大小`size`。并且保证了`size`是一个偶数，以维持对齐。
+- 调用了一个函数`mem_sbrk`用于增加堆的大小。返回一个指向新分配的内存块的指针`bp`，如果分配失败，就返回-1。
+- 检查`bp`是否为-1，如果是，就返回`NULL`，表示扩展堆失败。
+- 调用函数`coalesce`，用于合并相邻的空闲内存块的函数，以减少内存碎片。并且返回一个指向合并后的内存块的指针。
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+### coalesce
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+作用:合并free block
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+根据前后相邻的内存块的分配状态，进行不同的操作
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+流程如下：
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+- 如果前后都分配了，那么不需要合并，直接返回原来的指针。
+- 如果前分配，后未分配，那么把后面的空闲块从空闲链表中删除，然后把当前块和后面的块合并成一个更大的块，更新它的头部和尾部的大小和分配位，然后返回当前块的指针。
+- 如果前未分配，后分配，那么把前面的空闲块从空闲链表中删除，然后把前面的块和当前的块合并成一个更大的块，更新它的头部和尾部的大小和分配位，然后返回前面的块的指针。
+- 如果前后都未分配，那么把前后的空闲块都从空闲链表中删除，然后把前后的块和当前的块合并成一个更大的块，更新它的头部和尾部的大小和分配位，然后返回前面的块的指针。
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+最后，把合并后的空闲块插入到空闲链表中，然后返回合并后的块的指针。
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+### getListOffset
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+作用:得到大小为size的块应该在哪个list中
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+根据`size`的值，返回一个对应的列表的偏移量。列表的偏移量是一个整数，表示这个数据应该存储在哪个列表中
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+流程如下:
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+* 使用一系列的`if-else`语句，来判断`size`的范围。
+* 每个`if-else`语句都有一个常量`SIZE1`到`SIZE17`，表示不同的大小的阈值。如果`size`小于等于某个阈值，就返回相应的偏移量。
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+### insert_list
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+作用：将free block插入到相应大小的free list中, 插入位置为表头
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+流程如下：
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+* 调用`getListOffset`函数，根据内存块的大小`size`，得到一个列表的偏移量`index`。
+* 使用宏定义的函数，如`GET_PTR`，`PUT_PTR`，`HDRP`等，来操作内存块的头部和指针域。
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+* 如果`heap_listp + WSIZE * index`处的指针为空，表示这个列表还没有任何内存块，那么就将`bp`作为第一个内存块插入到这个列表中，并将它的前驱和后继指针都设为`NULL`。
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+* 如果`heap_listp + WSIZE * index`处的指针不为空，表示这个列表已经有一些内存块，那么就将`bp`作为第一个内存块插入到这个列表的头部，并将它的后继指针指向原来的第一个内存块，同时将原来的第一个内存块的前驱指针指向`bp`。
+* 最后，将`heap_listp + WSIZE * index`处的指针更新为`bp`。
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+### delete_list
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+作用：删除链表结点
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+流程如下：
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+首先，获取结点的大小和位置的偏移量。然后，根据结点在链表中的位置，分为四种情况来处理：
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+- 如果结点的前后指针都是NULL，说明这个结点是链表中唯一的结点，那么就把heap_listp数组中对应的头尾指针都设为NULL，表示链表为空。
+- 如果结点的前指针是NULL，后指针不是NULL，说明这个结点是链表中最后一个结点，但不是唯一一个，那么就把结点的后指针所指向的结点的前指针设为NULL，表示这个结点已经不在链表中了。
+- 如果结点的前指针不是NULL，后指针是NULL，说明这个结点是链表中第一个结点，但不是唯一一个，那么就把`heap_listp`数组中对应的头指针设为结点的前指针，表示链表的头部移动了，然后把结点的前指针所指向的结点的后指针设为NULL，表示这个结点已经不在链表中了。
+- 如果结点的前后指针都不是NULL，说明这个结点是链表中的中间结点，那么就把结点的后指针所指向的结点的前指针设为结点的前指针，表示跳过了这个结点，然后把结点的前指针所指向的结点的后指针设为结点的后指针，表示跳过了这个结点。
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+### find_fit
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+作用：寻找一个合适size的free list
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+函数的具体逻辑如下：
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+- 调用一个函数`getListOffset`，根据`asize`的值来确定一个索引`index`，这个索引表示一个内存块的类别，也就是它的大小范围。
+- 进入一个循环，从`index`开始，一直到`17`为止
+- 在每次循环中，首先从一个全局变量`heap_listp`中获取一个指针`ptr`，这个指针指向当前类别的内存块链表的头部。
+- 进入另一个循环，沿着链表遍历所有的内存块，直到`ptr`为空为止。
+- 在每次遍历中，使用两个宏`HDRP`和`GET_SIZE`来获取当前内存块的头部和大小，然后判断是否满足`asize`的要求，如果是，就返回`ptr`作为结果。
+- 如果没有找到合适的内存块，就将`ptr`更新为下一个内存块的指针，这个指针是通过宏`GET_PTR`从当前内存块中获取的。
+- 如果遍历完当前类别的所有内存块，就将`index`加一，进入下一个类别的循环，直到找到合适的内存块或者遍历完所有的类别为止。
+- 如果最终没有找到合适的内存块，就返回`NULL`作为结果，表示失败。
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+### place
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+作用：将一个空闲的内存块`bp`分割为两部分，一部分用于分配给用户，另一部分保持空闲
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+函数的具体逻辑如下：
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+- 调用函数`delete_list`，将`bp`从空闲链表中删除
+- 获取`bp`的当前大小`csize`，并判断是否可以将其分割为两个内存块，一个大小为`asize`，另一个大小为`csize - asize`。这里的条件是`csize - asize`必须大于等于`2 * DSIZE`，也就是最小的内存块大小。
+- 如果可以分割，就将`bp`的头部和尾部设置为`asize`和已分配的标志，然后将`bp`指向下一个内存块，将其头部和尾部设置为`csize - asize`和未分配的标志，最后将这个新的空闲内存块插入到空闲链表中，调用`insert_list`函数。
+- 如果不可以分割，就将`bp`的头部和尾部设置为`csize`和已分配的标志，不做其他操作。
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+## 四个主要函数实现过程
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+### mm_init
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+1. **分配初始堆空间**：
+   - 调用 `mem_sbrk` 分配 `LISTS_NUM + 4` 个字（每个字是 4 字节），作为初始堆空间。
+   - `LISTS_NUM` 是空闲块链表的数量。
+2. **初始化空闲块链表**：
+   - 在初始化的堆空间中，初始化 `LISTS_NUM` 个空闲块链表头部，并将它们连接到堆的开头。
+   - 每个链表头部是 4 字节的空间（因为用来存储指针），所以需要 `LISTS_NUM * WSIZE` 字节的空间。
+3. **设置初始堆的结尾标志**：
+   - 设置堆的最后部分为结束标志，表示这是堆的结尾，没有更多可用空间。
+4. **扩展堆空间**：
+   - 调用 `extend_heap` 函数，将堆的大小扩展为 `CHUNKSIZE` 字节。
+   - `CHUNKSIZE` 是在没有足够空闲块的情况下，用来扩展堆空间的默认大小。
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+### mm_malloc
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+1. **大小调整（Size Adjustment）**：
+   - 根据用户请求的大小，进行调整以满足内存对齐要求和额外的空间开销。在这个实现中，采用了最简单的方式：将请求的大小调整为双字大小的倍数，即 `asize = DSIZE * ((size + (DSIZE) + (DSIZE - 1)) / DSIZE)`。
+2. **查找合适的空闲块（Find Fit）**：
+   - 在初始化的空闲块链表中查找一个大小合适的空闲块。
+   - 调用 `find_fit` 函数，在空闲块链表中寻找第一个大小大于等于 `asize` 的空闲块。
+3. **分配空闲块（Allocate Block）**：
+   - 如果找到了合适大小的空闲块，调用 `place` 函数来将其分配出去。
+   - 如果没有找到合适的空闲块，则调用 `extend_heap` 来扩展堆空间，并在新的空间上分配内存块。
+4. **返回分配的块地址（Return Allocated Block Address）**：
+   - 返回指向已分配内存块的指针。
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+### mm_free
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+1. **标记内存块为可用状态**：
+   - 根据传入的指针 `ptr`，标记对应内存块的头部和尾部为未分配状态。
+   - 这里使用 `PUT` 函数将头部和尾部的标志位设置为未分配状态。
+2. **尝试合并相邻的空闲块**：
+   - 调用 `coalesce` 函数来尝试合并释放的块与相邻的空闲块。
+   - `coalesce` 函数会检查前后相邻的块是否也是未分配的，如果是，则会合并这些块，以释放更多连续的空间。
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+### mm_realloc
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+1. **处理零大小的请求**：
+   - 如果传入的大小为零，则直接释放先前分配的内存块，并返回 `NULL`。
+2. **调整新内存块大小**：
+   - 根据传入的大小，重新计算新内存块的大小 `asize`，这个过程与 `mm_malloc` 中的大小调整类似。
+3. **比较新旧块大小**：
+   - 检查新的大小是否等于旧的块大小，如果相等，则不需要进行任何操作，直接返回旧的块地址。
+4. **缩小内存块**：
+   - 如果新的大小小于旧的块大小，尝试使用 `mm_malloc` 分配一个新块，并将旧块的内容复制到新块中。
+   - 接着释放旧的块，并返回新分配的块地址。
+5. **扩大内存块**：
+   - 如果新的大小大于旧的块大小，则分配一个新块。
+   - 将旧块的内容复制到新块中，接着释放旧的块。
+   - 返回新分配的块地址。
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+## 策略
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+### 放置策略
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+首次适配：在 `mm_malloc` 中，采用 `find_fit` 函数来在空闲块链表中寻找第一个合适大小的空闲块。这个函数会顺序查找链表，返回第一个大小满足需求的空闲块。
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+### 分割策略
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+立即分割：当找到的空闲块大小大于请求大小时，在 `place` 函数中会立即将其分割成两部分，一部分满足用户请求，剩余部分作为新的空闲块。
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+### 合并策略
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+基本合并策略：在 `coalesce`函数中实现了合并相邻的空闲块的逻辑。
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+- 当释放一个块时，会检查其前后相邻的块是否也是未分配状态，如果是，则尝试合并这些块。
+- 根据前后相邻块的状态，有四种情况：
+  1. 前后均已分配：不做任何合并。
+  2. 前分配，后未分配：合并当前块与后面的块。
+  3. 前未分配，后分配：合并前面的块与当前块。
+  4. 前后均未分配：合并前后两块与当前块
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+## 时间复杂度
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+### mm_malloc
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+- **时间复杂度**：O(n)
+- **描述**：`mm_malloc` 函数中使用了首次适配策略，需要在空闲块链表中顺序查找第一个满足大小的空闲块。当链表中的空闲块数量增多时，查找所需的时间可能会线性增长。
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+### mm_free
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+- **时间复杂度**：O(1)
+- **描述**：`mm_free` 函数内部主要涉及标记内存块为未分配状态，并尝试进行合并操作。这些操作的时间复杂度主要取决于标记和合并的步骤，而不会随着空闲块链表的大小增加而增加。
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+### mm_realloc
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+- **时间复杂度**：最坏情况下为 O(n)
+- **描述**：`mm_realloc` 函数会在重新分配内存块时，根据新旧大小的比较来决定是缩小、扩大还是重新分配内存块。如果需要重新分配内存块，可能需要调用 `mm_malloc` 和 `mm_free` 函数，其中 `mm_malloc` 的时间复杂度是 O(n)。