동적 메모리 할당(2) | 묵시적 가용 리스트를 이용한 malloc() 구현

한종우·2021년 12월 15일
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묵시적 가용 리스트

  • 모든 실용적인 할당기는 블록 경계를 구분하고, 할당된 블로고가 가용 블록을 구분하는 데이터 구조를 필요로 한다. 대부분의 할당기는 이 정보를 블록 내에 저장한다.

  • 한 블럭은 1워드 헤더, 데이터, 추가적인 패딩으로 구성된다. 헤더에는 블록 크기(헤드와 추가적인 패딩 포함)와 블록의 할당 여부를 넣는다.
  • 묵시적 가용 리스트는 힙을 연속된 할당 및 가용 블록의 배열로 구성한다.
  • 할당기는 가용 블록 전체 집합을 힙 내의 전체 블록을 다니면서 방문할 수 있다.

묵시적 가용 리스트의 장단점

  • 장점
    • 구조가 단순하여 이해하기 쉽다.
  • 단점
    • 할당된 블록을 배치하는 것과 같은 가용 리스트를 탐색해야하는 연산들의 비용이 힙에 있는 전체 할당된 블록과 가용 블록 수에 비례한다.

할당한 블록의 배치

  • 프로그램이 malloc(k)를 통해 k 바이트의 블록을 요철할 때 할당기는 요청한 블록을 저장하기에 충분히 큰 가용 블록을 리스트에서 검색한다. 검색을 수행할 때 수행하는 정책에 따라 first fit, next fit, best fit 등이 있다.

first fit

  • 가용 리스트를 순차적으로 탐색하면서 조건에 만족하는 블록이 있으면 해당 블록을 할당한다.
  • 리스트의 마지막에 가장 큰 가용 블록을 남겨두는 경향이 있다
  • 리스트의 앞부분에 작은 가용 블록을 남겨두는 경향이 있어서 큰 블록을 찾는 경우에 검색 시간이 늘어나는 것이 단점이다.

next fit

  • first fit의 대안으로, 이전 검색에서 발견한 가용 블록을 발견한 위치에서 탐색을 시작하고 조건에 만족하는 블록이 있으면 해당 블록을 할당한다.
  • next fit은 first fit에 비해 매우 빠른 속도를 가지지만, 일부 연구에 의하면 next fit 이 first fit보다 최악의 메모리 이용도를 갖는 것으로 밝혀졌다.

best fit

  • 요청한 블록의 크기에 알맞은 블럭을(요청 크기보다 크면서 가용 블럭들 중에서 가장 작은 블럭) 할당한다.
  • 힙을 완전히 다 탐색해야하는 단점이 있다.

가용 블럭의 분할

  • 할당기가 크기가 맞는 가용 블럭을 찾은 후에 가용 블록의 어느 정도를 할당할지에 대해 정책적 결정을 내려야한다.
  • 가용 블록 전체를 사용할 수 도 있지만 내부 단편화가 생긴다.
  • 따라서 가용 블록을 두 부분으로 나누어 요청한 크기의 블록에는 메모리를 할당하고 나머지는 새로운 가용 블록을 만든다.

추가적인 힙 메모리 획득

  • 할당기가 가용 리스트를 탐색했지만 요청한 크기의 블럭을 찾을 수 없는 경우
    • 할당기는 커널에게 sbrk() 를 호출 (시스템콜) 추가적인 힙 메모리를 할당한다.
    • 할당기는 추가 메모리를 한 개의 큰 가용 블록으로 만들고, 이 블록을 가용 리스트에 삽입한 뒤, 요청한 블록을 새로운 가용 블록에 배치한다.

오류 단편화

  • 할당기가 할당한 블록을 반환할 때, 해당 블록의 인접 블록이 가용 블럭일 수 도 있다. 이 경우에는 오류 단편화False fragmentation 현상을 유발할 수 있다.
  • 아래 그림을 보면 중간에 3워드 블록이 2개가 인접해있다. 이 때 4워드만큼 할당을 요청하면 가용한 메모리의 크기는 충분하지만 가용 블록이 2개로 나뉘어 있어 요청을 만족시키지 못한다.

  • 오류 단편화를 극복하기 위해 인접한 가용 블록을 하나로 병합하는 과정이 필요하다 (Coalesce).

경계 태그

  • 오류 단편화를 해결하기 위해 두 가용 블럭을 병합하는 과정을 한다고 했는데 어떻게 병합할까?
  • 현재 블록 다음 블록은 현재 블록의 헤더를 통해 쉽게 크기와 할당 여부를 확인할 수 있다. 이전 블록의 경우에는 어떻게 크기와 할당 여부를 알 수 있을까?
  • Knuth가 개발한 경계 태그를 통해 상수 시간에 이전 블록을 연결할 수 있다.
    • 블록의 끝 부분에 footer(경계 태그)를 추가한다.
    • footer는 헤더를 복사한 것이다.
    • 각 블록이 풋터를 포함하면 할당기는 시작 위치와 이전 블록의 상태를 자신의 풋터를 조사해서 결정할 수 있고, 풋터는 항상 현재 블록의 시작 부분에서 1 워드 떨어진 곳에 있다.

First fit을 이용한 전체 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "mm.h"
#include "memlib.h"

/* Basic constants and macros */
#define WSIZE 4 /* Word and Header/footer size (bytes) */
#define DSIZE 8 /* Double word size (bytes) */
#define CHUNKSIZE (1<<12) /* Extend heap by this amount */

#define MAX(x, y) ((x > y) ? (x) : (y))

/* Pack a size and allocated bit into a word */
#define PACK(size, alloc) ((size) | (alloc))

/* Read and write a word at address p */
#define GET(p) (*(unsigned int *)(p))
#define PUT(p, val) (*(unsigned int *)(p) = (val))

/* Read the size and allocated fields from address p */
#define GET_SIZE(p) (GET(p) & ~0x7)
#define GET_ALLOC(p) (GET(p) & 0x1)

/* Given block ptr bp, compute address of its heaader and footer */
#define HDRP(bp) ((char *)(bp) - WSIZE)
#define FTRP(bp) ((char *)(bp) + GET_SIZE(HDRP(bp)) - DSIZE)

/* Given block ptr bp, compute address of next and previous blocks */
#define NEXT_BLKP(bp) ((char *)(bp) + GET_SIZE(((char *)(bp) - WSIZE)))
#define PREV_BLKP(bp) ((char *)(bp) - GET_SIZE(((char *)(bp) - DSIZE)))

/* single word (4) or double word (8) alignment */
#define ALIGNMENT 8

/* rounds up to the nearest multiple of ALIGNMENT */
#define ALIGN(size) (((size) + (ALIGNMENT-1)) & ~0x7)


#define SIZE_T_SIZE (ALIGN(sizeof(size_t)))

void *heap_listp; /* Heap pointer */
void *heap_start; /* free list head */
static void *coalesce(void *);
static void *extend_heap(size_t);
static void *find_fit(size_t);
static void place(void *, size_t);

/* 
 * mm_init - initialize the malloc package.
 */
int mm_init(void)
{
    /* Create the initial empty heap */
    if ((heap_listp = mem_sbrk(4*WSIZE)) == (void *) - 1)
        return -1;

    PUT(heap_listp, 0); /* Alignment padding */
    PUT(heap_listp + (1*WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); /* Prologue header */
    PUT(heap_listp + (2*WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); /* Prologue footer */
    PUT(heap_listp + (3*WSIZE), PACK(0, 1)); /* Epilogue header */
    
    heap_listp += (2*WSIZE); /* Move heap pointer over to footer */

    /* Extend the empty heap with a free block of CHUNKSIZE bytes */
    if (extend_heap(CHUNKSIZE/WSIZE) == NULL)
        return -1;
    return 0;
}

static void *extend_heap(size_t words){
    char *bp;
    size_t size;

    /* Allocate an even number of words to maintain alignment */
    size = (words % 2) ? (words + 1) * WSIZE : words * WSIZE;
    if ((long)(bp = mem_sbrk(size)) == - 1)
        return NULL;

    /* Initialize free block header/footer and the epilogue header */
    PUT(HDRP(bp), PACK(size, 0));   /* Free block header */
    PUT(FTRP(bp), PACK(size, 0));   /* Free block footer */
    PUT(HDRP(NEXT_BLKP(bp)), PACK(0, 1));   /* New epilogue header */

    /* Coalesce if the previous block was free */
    return coalesce(bp);   
}

static void *find_fit(size_t asize){
    /* First-fit search */
    void *bp;
    // 힙의 마지막 부분에 도달할 때까지 반복
    for (bp = heap_listp; GET_SIZE(HDRP(bp)) > 0; bp = NEXT_BLKP(bp)) {
        if (!GET_ALLOC(HDRP(bp)) && (asize <= GET_SIZE(HDRP(bp)))) {
            return bp;
        }
    }
    return NULL; /* No Fit */
}

static void place(void *bp, size_t asize) {
    size_t csize = GET_SIZE(HDRP(bp));

    if ((csize - asize) >= (2*DSIZE)) {
        PUT(HDRP(bp), PACK(asize, 1));
        PUT(FTRP(bp), PACK(asize, 1));
        bp = NEXT_BLKP(bp);
        PUT(HDRP(bp), PACK(csize - asize, 0));
        PUT(FTRP(bp), PACK(csize - asize, 0));
    }
    else {
        PUT(HDRP(bp), PACK(csize, 1));
        PUT(FTRP(bp), PACK(csize, 1));
    }
}

/* 
 * mm_malloc - Allocate a block by incrementing the brk pointer.
 *     Always allocate a block whose size is a multiple of the alignment.
 */
void *mm_malloc(size_t size)
{
    size_t asize; /* Adjusted block size */
    size_t extendsize; /* Amount to extend heap if no fit */
    char *bp;

    /* Ignore spurious requests */
    if (size == 0)
        return NULL;

    /* Adjust block size to include overhead and alignment reqs. */
    if (size <= DSIZE)
        asize = 2*DSIZE;
    else
        asize = DSIZE * ((size + (DSIZE) + (DSIZE-1)) / DSIZE);

    /* Search the free list for a fit */
    if ((bp = find_fit(asize)) != NULL) {
        place(bp, asize);
        return bp;
    }

    /* No fit found. Get more memory and place the block */
    extendsize = MAX(asize,CHUNKSIZE);
    if ((bp = extend_heap(extendsize/WSIZE)) == NULL)
        return NULL;
    place(bp, asize);
    return bp;
}

/*
 * mm_free - Freeing a block does nothing.
 */
void mm_free(void *ptr)
{
    size_t size = GET_SIZE(HDRP(ptr));

    PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 0));
    PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0));
    coalesce(ptr);
}

static void *coalesce(void *ptr)
{
    size_t prev_alloc = GET_ALLOC(FTRP(PREV_BLKP(ptr)));
    size_t next_alloc = GET_ALLOC(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)));
    size_t size = GET_SIZE(HDRP(ptr));

    if (prev_alloc && next_alloc) { /* Case 1 */
        return ptr;
    }

    else if (prev_alloc && !next_alloc) { /* Case 2 */
        size += GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(ptr)));
        PUT(HDRP(ptr), PACK(size, 0));
        PUT(FTRP(ptr), PACK(size,0));
    }
    else if (!prev_alloc && next_alloc) { /* Case 3 */
        size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(ptr)));
        PUT(FTRP(ptr), PACK(size, 0));
        PUT(HDRP(PREV_BLKP(ptr)), PACK(size, 0));
        ptr = PREV_BLKP(ptr);
    }

    else { /* Case 4 */
        size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(ptr))) + GET_SIZE(FTRP(NEXT_BLKP(ptr)));
        PUT(HDRP(PREV_BLKP(ptr)), PACK(size, 0));
        PUT(FTRP(NEXT_BLKP(ptr)), PACK(size, 0));
        ptr = PREV_BLKP(ptr);
    }
    return ptr;
}

/*
 * mm_realloc - Implemented simply in terms of mm_malloc and mm_free
 */
void *mm_realloc(void *ptr, size_t size)
{
    void *oldptr = ptr;
    void *newptr;
    size_t copySize;
    
    newptr = mm_malloc(size);
    if (newptr == NULL)
      return NULL;
    copySize = GET_SIZE(HDRP(oldptr));
    if (size < copySize)
      copySize = size;
    memcpy(newptr, oldptr, copySize);
    mm_free(oldptr);
    return newptr;
}

Next fit을 이용한 전체 코드

/*
 * mm-naive.c - The fastest, least memory-efficient malloc package.
 *
 * In this naive approach, a block is allocated by simply incrementing
 * the brk pointer.  A block is pure payload. There are no headers or
 * footers.  Blocks are never coalesced or reused. Realloc is
 * implemented directly using mm_malloc and mm_free.
 *
 * NOTE TO STUDENTS: Replace this header comment with your own header
 * comment that gives a high level description of your solution.
 */
 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "mm.h"
#include "memlib.h"


/*********************************************************
 * NOTE TO STUDENTS: Before you do anything else, please
 * provide your team information in the following struct.
 ********************************************************/

/* single word (4) or double word (8) alignment */
#define ALIGNMENT 8

/* rounds up to the nearest multiple of ALIGNMENT */
#define ALIGN(size) (((size) + (ALIGNMENT-1)) & ~0x7)
#define SIZE_T_SIZE (ALIGN(sizeof(size_t)))

/* Basic constants and macros */
#define WSIZE 4             // Word and header/footer size (bytes)
#define DSIZE 8             // Double word size (bytes)
#define CHUNKSIZE (1 << 12) // Extend heap by this amount (bytes)

#define MAX(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))

/* Pack a size and allocated bit into a word */
#define PACK(size, alloc) ((size) | (alloc))

/* Read and write a word at address p */
#define GET(p) (*(unsigned int *)(p))
#define PUT(p, val) (*(unsigned int *)(p) = (val))

/* Read the size and allocated fields from address p */
#define GET_SIZE(p) (GET(p) & ~0x7)
#define GET_ALLOC(p) (GET(p) & 0x1)

/* Given block ptr bp, compute address of its header and footer */
#define HDRP(bp) ((char *)(bp)-WSIZE)
#define FTRP(bp) ((char *)(bp) + GET_SIZE(HDRP(bp)) - DSIZE)

/* Given block ptr bp, compute address of next and previous blocks */
#define NEXT_BLKP(bp) ((char *)(bp) + GET_SIZE(((char *)(bp)-WSIZE)))
#define PREV_BLKP(bp) ((char *)(bp)-GET_SIZE(((char *)(bp)-DSIZE)))

/* glbal variable */
static char *heap_listp; // 정적 전역변수를 사용한 할당기
static void *extend_heap(size_t);
static void *coalesce(void *);
static void *next_fit(size_t);
static void place(void *, size_t);
static char* last_bp; // 마지막에 검사한 블록의 포인터


/* mm_init - initialize the malloc package. */
int mm_init(void){
    /* Create the initial empty heap */
    if ((heap_listp = mem_sbrk(4 * WSIZE)) == (void *) - 1)
        return -1;
    PUT(heap_listp, 0);                            // Alignment padding
    PUT(heap_listp + (1 * WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); // Prologue header
    PUT(heap_listp + (2 * WSIZE), PACK(DSIZE, 1)); // Prologue footer
    PUT(heap_listp + (3 * WSIZE), PACK(0, 1));     // Epilogue header
    heap_listp += (2 * WSIZE);

    /* Extend the empty heap with a free block of CHUNKSIZE bytes */
    if (extend_heap(CHUNKSIZE / WSIZE) == NULL)
        return -1;
    return 0;
}

static void *extend_heap(size_t words){
    char *bp;
    size_t size;

    /* Allocate an even number of words to maintain alignment */
    size = (words % 2) ? (words + 1) * WSIZE : words * WSIZE;
    if ((long)(bp = mem_sbrk(size)) == -1)
        return NULL;

    /* Initialize free block header/footer and the epliogue header */
    PUT(HDRP(bp), PACK(size, 0));         // Free block header
    PUT(FTRP(bp), PACK(size, 0));         // Free block footer
    PUT(HDRP(NEXT_BLKP(bp)), PACK(0, 1)); // New epilogue header

    /* Coalesce if the previous block was free */
    return coalesce(bp);
}

/* mm_malloc - Allocate a block by incrementing the brk pointer. Always allocate a block whose size is a multiple of the alignment. */
void *mm_malloc(size_t size){
    size_t asize;      // Adjusted block size
    size_t extendsize; // Amount to extend heap if no fit
    char *bp;

    /* Ignore spurious requests */
    if (size == 0)
        return NULL;

    /* Adjust block size to include overhead and alignment reqs. */
    if (size <= DSIZE)
        asize = 2 * DSIZE;
    else
        asize = DSIZE * ((size + (DSIZE) + (DSIZE - 1)) / DSIZE);

    /* Search the free list for a fit */
    if ((bp = next_fit(asize)) != NULL){
        place(bp, asize);
        return bp;
    }

    /* No fit found. Get more memory ans place the block */
    extendsize = MAX(asize, CHUNKSIZE);
    if ((bp = extend_heap(extendsize / WSIZE)) == NULL)
        return NULL;
    place(bp, asize);
    return bp;
}

/* mm_free - Freeing a block does nothing. */
void mm_free(void *bp){
    size_t size = GET_SIZE(HDRP(bp));
    PUT(HDRP(bp), PACK(size, 0));
    PUT(FTRP(bp), PACK(size, 0));
    coalesce(bp);
}

static void *coalesce(void *bp)
{
    size_t prev_alloc = GET_ALLOC(FTRP(PREV_BLKP(bp)));
    size_t next_alloc = GET_ALLOC(HDRP(NEXT_BLKP(bp)));
    size_t size = GET_SIZE(HDRP(bp));

    if (prev_alloc && next_alloc)
    { // Case 1
        last_bp =bp;
        return bp;
    }

    else if (prev_alloc && !next_alloc)
    { // Case 2
        size += GET_SIZE(HDRP(NEXT_BLKP(bp)));
        PUT(HDRP(bp), PACK(size, 0));
        PUT(FTRP(bp), PACK(size, 0));
    }

    else if (!prev_alloc && next_alloc)
    { // Case 3
        size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(bp)));
        PUT(FTRP(bp), PACK(size, 0));
        PUT(HDRP(PREV_BLKP(bp)), PACK(size, 0));
        bp = PREV_BLKP(bp);
    }

    else
    { // Case 4
        size += GET_SIZE(HDRP(PREV_BLKP(bp))) + GET_SIZE(FTRP(NEXT_BLKP(bp)));
        PUT(HDRP(PREV_BLKP(bp)), PACK(size, 0));
        PUT(FTRP(NEXT_BLKP(bp)), PACK(size, 0));
        bp = PREV_BLKP(bp);
    }
    last_bp = bp;
    return bp;
}

/* mm_realloc - Implemented simply in terms of mm_malloc and mm_free */
void *mm_realloc(void *ptr, size_t size)
{
    void *oldptr = ptr;
    void *newptr;
    size_t copySize;
    
    newptr = mm_malloc(size);
    if (newptr == NULL)
      return NULL;
    copySize = GET_SIZE((char *)oldptr - WSIZE) - DSIZE; // header의 사이즈
    if (size < copySize) {
      copySize = size;
    }
    memcpy(newptr, oldptr, copySize);
    mm_free(oldptr);
    return newptr;
}

static void* next_fit(size_t asize)
{
    char* bp = last_bp;
    while (GET_SIZE(HDRP(bp))!=0) {
        bp = NEXT_BLKP(bp);
        if (GET_ALLOC(HDRP(bp)) == 0 && GET_SIZE(HDRP(bp)) >= asize)
        {
            last_bp = bp;
            return bp;
        }
    }

    bp = heap_listp;
    while (bp < last_bp)
    {
        bp = NEXT_BLKP(bp);
        if (GET_ALLOC(HDRP(bp)) == 0 && GET_SIZE(HDRP(bp)) >= asize)
        {
            last_bp = bp;
            return bp;
        }
    }
    return NULL ;
}

static void place(void *bp, size_t asize)
{
    size_t csize = GET_SIZE(HDRP(bp));
    if ((csize - asize) >= (2 * DSIZE))
    {
        PUT(HDRP(bp), PACK(asize, 1));
        PUT(FTRP(bp), PACK(asize, 1));
        bp = NEXT_BLKP(bp);
        PUT(HDRP(bp), PACK(csize - asize, 0));
        PUT(FTRP(bp), PACK(csize - asize, 0));
    }
    else
    {
        PUT(HDRP(bp), PACK(csize, 1));
        PUT(FTRP(bp), PACK(csize, 1));
    }
}
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