CASPP_LAB/实验报告.md

总体设计

使用了 Segregated Fits 算法来管理内存。

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。

每个空闲块都有一个 header 和一个 footer，与 Implicit list 算法相同。

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。

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.

功能和算法

• 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。

额外的函数设计

extend_heap

作用:扩展heap的大小

流程如下：

• 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。

coalesce

作用:合并free block

根据前后相邻的内存块的分配状态，进行不同的操作

流程如下：

• 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。

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。

getListOffset

作用:得到大小为size的块应该在哪个list中

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

流程如下:

• 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。

insert_list

作用：将free block插入到相应大小的free list中, 插入位置为表头

流程如下：

• 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。

• 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。

• 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。

delete_list

作用：删除链表结点

流程如下：

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：

• 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。

find_fit

作用：寻找一个合适size的free list

函数的具体逻辑如下：

• 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。

place

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

函数的具体逻辑如下：

• 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。

四个主要函数实现过程

mm_init

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。

mm_malloc

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。

mm_free

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。

mm_realloc

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。

策略

放置策略

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。

分割策略

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。

合并策略

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。

• 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

时间复杂度

mm_malloc

• 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。

mm_free

• 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。

mm_realloc

• 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)。