内存碎片处理技术

| 2004-10-08
Jan Lindblad,Enea Embedded Technology

接的内存块的存储量都是相同的。
  固定存储量分配程序很容易实现,而且便于计算内存碎片,至少在块存储量的数量较少时是这样。但这种分配程序的局限性在于要有一个它可以分配的最大存储量。固定存储量分配程序速度快,并可在任何状况下保持速度。这些分配程序可能会产生大量的内部内存碎片,但对某些系统而言,它们的优点会超过缺点。


  减少内存碎片
  内存碎片是因为在分配一个内存块后,使之空闲,但不将空闲内存归还给最大内存块而产生的。最后这一步很关键。如果内存分配程序是有效的,就不能阻止系统分配内存块并使之空闲。即使一个内存分配程序不能保证返回的内存能与最大内存块相连接(这种方法可以彻底避免内存碎片问题),但你可以设法控制并限制内存碎片。所有这些作法涉及到内存块的分割。每当系统减少被分割内存块的数量,确保被分割内存块尽可能大时,你就会有所改进。
  这样做的目的是尽可能多次反复使用内存块,而不要每次都对内存块进行分割,以正好符合请求的存储量。分割内存块会产生大量的小内存碎片,犹如一堆散沙。以后很难把这些散沙与其余内存结合起来。比较好的办法是让每个内存块中都留有一些未用的字节。留有多少字节应看系统要在多大

程度上避免内存碎片。对小型系统来说,增加几个字节的内部碎片是朝正确方向迈出的一步。当系统请求1字节内存时,你分配的存储量取决于系统的工作状态。
  如果系统分配的内存存储量的主要部分是 1 ~ 16 字节,则为小内存也分配 16 字节是明智的。只要限制可以分配的最大内存块,你就能够获得较大的节约效果。但是,这种方法的缺点是,系统会不断地尝试分配大于极限的内存块,这使系统可能会停止工作。减少最大和最小内存块存储量之间内存存储量的数量也是有用的。采用按对数增大的内存块存储量可以避免大量的碎片。例如,每个存储量可能都比前一个存储量大 20%。在嵌入式系统中采用“一种存储量符合所有需要”对于嵌入式系统中的内存分配程序来说可能是不切实际的。这种方法从内部碎片来看是代价极高的,但系统可以彻底避免外部碎片,达到支持的最大存储量。
  将相邻空闲内存块连接起来是一种可以显著减少内存碎片的技术。如果没有这一方法,某些分配算法(如最先适合算法)将根本无法工作。然而,效果是有限的,将邻近内存块连接起来只能缓解由于分配算法引起的问题,而无法解决根本问题。而且,当内存块存储量有限时,相邻内存块连接可能很难实现。
  有些内存分配器很先进,可以在运行时收集有关某个系统的分配习惯的统计数据,然后,按存储量将所有的内存分配进行分类,例如分为小、中和大三类。系统将每次分配指向被管理内存的一个区域,因为该区域包括这样的内存块存储量。较小存储量是根据较大存储量分配的。这种方案是最先适合算法和一组有限的固定存储量算法的一种有趣的混合,但不是实时的。
  有效地利用暂时的局限性通常是很困难的,但值得一提的是,在内存中暂时扩展共处一地的分配程序更容易产生内存碎片。尽管其它技术可以减轻这一问题,但限制不同存储量内存块的数目仍是减少内存碎片的主要方法。
  现代软件环境业已实现各种避免内存碎片的工具。例如,专为分布式高可用性容错系统开发的 OSE 实时操作系统可提供三种运行时内存分配程序:内核 alloc(),它根据系统或内存块池来分配;堆 malloc(),根据程序堆来分配; OSE 内存管理程序 alloc_region,它根据内存管理程序内存来分配。
  从 许多方面来看,Alloc就是终极内存分配程序。它产生的内存碎片很少,速度很快,并有判定功能。你可以调整甚至去掉内存碎片。只是在分配一个存储量后,使之空闲,但不再分配时,才会产生外部碎片。内部碎片会不断产生,但对某个给定的系统和八种存储量来说是恒定不变的。
  Alloc 是一种有八个自由表的固定存储量内存分配程序的实现方法。系统程序员可以对每一种存储量进行配置,并可决定采用更少的存储量来进一步减少碎片。除开始时以外,分配内存块和使内存块空闲都是恒定时间操作。首先,系统必须对请求的存储量四舍五入到下一个可用存储量。就八种存储量而言,这一目标可用三个 如果 语句来实现。其次,系统总是在八个自由表的表头插入或删除内存块。开始时,分配未使用的内存要多花几个周期的时间,但速度仍然极快,而且所花时间恒定不变。
  堆 malloc() 的内存开销(8 ~ 16 字节/分配)比 alloc小,所以你可以停用内存的专用权。malloc() 分配程序平均来讲是相当快的。它的内部碎片比alloc()少,但外部碎片则比alloc()多。它有一个最大分配存储量,但对大多数系统来说,这一极限值足够大。可选的共享所有权与低开销使 malloc() 适用于有许多小型对象和共享对象的 C++ 应用程序。堆是一种具有内部堆数据结构的伙伴系统的实现方法。在 OSE 中,有 28 个不同
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