用 Rust 创建现代系统：堆内存分配器设计的实践探索

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2023-01-08 08:30:06

堆内存分配器：深入浅出

在现代编程世界中，堆内存分配器充当着程序的生命线，负责动态分配和管理内存，赋予程序灵活扩展的能力。本文将深入探讨堆内存分配器的核心概念，以及三种常见的分配器类型：Bump分配器、链表分配器和固定大小块分配器。

一、堆内存分配器：核心概念

堆内存分配器负责管理程序中动态分配的内存。与静态内存不同，动态内存可在程序运行时分配和释放。这对于管理可变长度数据结构（如字符串和数组）以及支持动态大小的对象至关重要。

二、Bump分配器：极简主义的魅力

Bump分配器以其简单性著称，它遵循“先到先得”的原则，从内存起始地址开始分配内存，直到达到分配结束地址。其优势包括：

理念简单： 易于理解和实现。
顺序性： 分配连续，便于管理。
开销低： 无需维护复杂的内存管理结构。

代码示例：

// Bump分配器示例
struct BumpAllocator {
    start: *mut u8,
    end: *mut u8,
    current: *mut u8,
}

impl BumpAllocator {
    fn alloc(&mut self, size: usize) -> Option<*mut u8> {
        if self.current + size > self.end {
            return None;
        }
        let ptr = self.current;
        self.current = self.current.add(size);
        Some(ptr)
    }
}

三、链表分配器：高效的内存管理

链表分配器采用更复杂的数据结构来管理内存块，提供以下优点：

灵活性高： 即使内存块不连续，也能高效分配和释放。
内存利用率高： 回收释放的内存块，减少碎片。
开销较高： 需要维护链表结构。

代码示例：

// 链表分配器示例
struct Node {
    start: *mut u8,
    end: *mut u8,
    next: Option<Box<Node>>,
}

struct LinkedListAllocator {
    head: Option<Box<Node>>,
}

impl LinkedListAllocator {
    fn alloc(&mut self, size: usize) -> Option<*mut u8> {
        let mut current = &mut self.head;
        while let Some(node) = current {
            if node.end - node.start >= size {
                let ptr = node.start;
                node.start = node.start.add(size);
                return Some(ptr);
            }
            current = &mut node.next;
        }
        Some(0)  // 分配失败，返回空指针
    }
}

四、固定大小块分配器：简单且高效

固定大小块分配器将内存预先划分为固定大小的块，提供以下特点：

简单易懂： 分配和释放速度快。
性能优异： 不需要遍历或复杂操作。
内存利用率较低： 预先分配的块大小可能与实际需求不匹配。

代码示例：

// 固定大小块分配器示例
struct FixedSizeBlockAllocator {
    blocks: [Option<*mut u8>; 1024],
    block_size: usize,
}

impl FixedSizeBlockAllocator {
    fn alloc(&mut self) -> Option<*mut u8> {
        for block in &mut self.blocks {
            if block.is_none() {
                let ptr = unsafe { sbrk(self.block_size as isize) };
                *block = Some(ptr);
                return Some(ptr);
            }
        }
        None  // 分配失败，返回空指针
    }
}