C基础 内存统一入口

引言  - malloc 引述

　　C标准中堆上内存入口就只有 malloc, calloc, realloc . 内存回收口是 free. 常见的一种写法是

struct person * per = malloc(sizoef(struct person));
if(NULL == ptr) {
      fprintf(stderr, "malloc struct person is error!");
      // to do error thing ...
      ...
}

// 处理正常逻辑
...

// 回收
free(per);

特别是 if NULL == ptr 那些操作实在让人繁琐. 有点不爽, 构建了一组接口, 尝试一种方式来简便一下.

借鉴思路是 上层语言 new 的套路. 简单粗暴, 失败直接崩溃. 大体思路是

    struct header * ptr = malloc(sz + sizeof(struct header));
    // 检查内存分配的结果
    if(NULL == ptr) {
        fprintf(stderr, "_header_get >%s:%d:%s< alloc error not enough memory start fail!\n", file, line, func);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

利用 exit 结束分配为NULL情况. 毕竟计算机一级内存不足, 一切运行对于软件层都已经是接近"未定义的边缘了"

参照资料 : 云大大的skynet2 demo  https://github.com/cloudwu/skynet2/tree/master/skynet-src

前言 - 定义接口统一处理

　　处理的思路很简单, 主要是 提供一个内存申请的入口像new一样, 返回初始化的内存, 并且内存不足直接崩溃. 首先接口设计如下

scalloc.h 

#ifndef _H_SIMPLEC_SCALLOC
#define _H_SIMPLEC_SCALLOC

#include <stdlib.h>

// 释放sm_malloc_和sm_realloc_申请的内存, 必须配套使用
void sm_free_(void * ptr, const char * file, int line, const char * func);
// 返回申请的一段干净的内存
void * sm_malloc_(size_t sz, const char * file, int line, const char * func);
// 返回重新申请的内存, 只能和sm_malloc_配套使用
void * sm_realloc_(void * ptr, size_t sz, const char * file, int line, const char * func);

/*
 * 释放申请的内存
 * ptr  : 申请的内存
 */
#define sm_free(ptr)        sm_free_(ptr, __FILE__, __LINE__, __func__)
/*
 * 返回申请的内存, 并且是填充'\0'
 * sz   : 申请内存的长度
 */
#define sm_malloc(sz)       sm_malloc_(sz, __FILE__, __LINE__, __func__)
/*
 * 返回申请到num*sz长度内存, 并且是填充'\0'
 * num  : 申请的数量
 * sz   : 申请内存的长度
 */
#define sm_calloc(num, sz)  sm_malloc_(num*sz, __FILE__, __LINE__, __func__)
/*
 * 返回重新申请的内存
 * ptr  : 申请的内存
 * sz   : 申请内存的长度
 */
#define sm_realloc(ptr, sz) sm_realloc_(ptr, sz, __FILE__, __LINE__, __func__)

// 定义全局内存使用宏, 替换原有的malloc系列函数
#ifndef _SIMPLEC_SCALLOC_CLOSE
#   define free         sm_free
#   define malloc       sm_malloc
#   define calloc       sm_calloc
#   define realloc      sm_realloc
#endif

#endif // !_H_SIMPLEC_SCALLOC

上面 sm_malloc sm_calloc sm_realloc sm_free 宏相比原先的四个函数, 多了几个编译宏参数, 方便以后查找问题.

_SIMPLEC_SCALLOC_CLOSE 头文件表示 当前是否替代老的 内存相关操作的入口.
这里扯一点, calloc 感觉是设计的失败.

#include <stdlib.h>

void * calloc(size_t nmemb, size_t size);

calloc() allocates memory for an array of nmemb elements of size bytes each and returns a pointer to the allocated memory.  The memory is set to zero.

上面描述 相当于 calloc(nmemb, size) <=> malloc(nmemb*size) ; memset(ptr, 0, nmemb*size);  感觉好傻.

我么看看源码 在malloc.c 文件中实现 .

void *
__libc_calloc (size_t n, size_t elem_size)
{
  mstate av;
  mchunkptr oldtop, p;
  INTERNAL_SIZE_T bytes, sz, csz, oldtopsize;
  void *mem;
  unsigned long clearsize;
  unsigned long nclears;
  INTERNAL_SIZE_T *d;

  /* size_t is unsigned so the behavior on overflow is defined.  */
  bytes = n * elem_size;
#define HALF_INTERNAL_SIZE_T \
  (((INTERNAL_SIZE_T) ) << ( * sizeof (INTERNAL_SIZE_T) / ))
  if (__builtin_expect ((n | elem_size) >= HALF_INTERNAL_SIZE_T, ))
    {
      if (elem_size !=  && bytes / elem_size != n)
        {
          __set_errno (ENOMEM);
          return ;
        }
    }

  void *(*hook) (size_t, const void *) =
    atomic_forced_read (__malloc_hook);
  if (__builtin_expect (hook != NULL, ))
    {
      sz = bytes;
      mem = (*hook)(sz, RETURN_ADDRESS ());
      if (mem == )
        return ;

      return memset (mem, , sz);
    }

  sz = bytes;

  arena_get (av, sz);
  if (av)
    {
      /* Check if we hand out the top chunk, in which case there may be no
     need to clear. */
#if MORECORE_CLEARS
      oldtop = top (av);
      oldtopsize = chunksize (top (av));
# if MORECORE_CLEARS <
      /* Only newly allocated memory is guaranteed to be cleared.  */
      if (av == &main_arena &&
      oldtopsize < mp_.sbrk_base + av->max_system_mem - (char *) oldtop)
    oldtopsize = (mp_.sbrk_base + av->max_system_mem - (char *) oldtop);
# endif
      if (av != &main_arena)
    {
      heap_info *heap = heap_for_ptr (oldtop);
      if (oldtopsize < (char *) heap + heap->mprotect_size - (char *) oldtop)
        oldtopsize = (char *) heap + heap->mprotect_size - (char *) oldtop;
    }
#endif
    }
  else
    {
      /* No usable arenas.  */
      oldtop = ;
      oldtopsize = ;
    }
  mem = _int_malloc (av, sz);

  assert (!mem || chunk_is_mmapped (mem2chunk (mem)) ||
          av == arena_for_chunk (mem2chunk (mem)));

  if (mem ==  && av != NULL)
    {
      LIBC_PROBE (memory_calloc_retry, , sz);
      av = arena_get_retry (av, sz);
      mem = _int_malloc (av, sz);
    }

  if (av != NULL)
    (void) mutex_unlock (&av->mutex);

  /* Allocation failed even after a retry.  */
  if (mem == )
    return ;

  p = mem2chunk (mem);

  /* Two optional cases in which clearing not necessary */
  if (chunk_is_mmapped (p))
    {
      if (__builtin_expect (perturb_byte, ))
        return memset (mem, , sz);

      return mem;
    }

  csz = chunksize (p);

#if MORECORE_CLEARS
  if (perturb_byte ==  && (p == oldtop && csz > oldtopsize))
    {
      /* clear only the bytes from non-freshly-sbrked memory */
      csz = oldtopsize;
    }
#endif

  /* Unroll clear of <= 36 bytes (72 if 8byte sizes).  We know that
     contents have an odd number of INTERNAL_SIZE_T-sized words;
     minimally 3.  */
  d = (INTERNAL_SIZE_T *) mem;
  clearsize = csz - SIZE_SZ;
  nclears = clearsize / sizeof (INTERNAL_SIZE_T);
  assert (nclears >= );

  if (nclears > )
    return memset (d, , clearsize);

  else
    {
      *(d + ) = ;
      *(d + ) = ;
      *(d + ) = ;
      if (nclears > )
        {
          *(d + ) = ;
          *(d + ) = ;
          if (nclears > )
            {
              *(d + ) = ;
              *(d + ) = ;
              if (nclears > )
                {
                  *(d + ) = ;
                  *(d + ) = ;
                }
            }
        }
    }

  return mem;
}

比较复杂, 从中就摘录下面 几行帮助理解

 ...

  /* size_t is unsigned so the behavior on overflow is defined.  */
  bytes = n * elem_size;

...

      return memset (mem, , sz);
...

  if (av != NULL)
    (void) mutex_unlock (&av->mutex);

...

实现起来很复杂, 主要围绕性能考虑,  重新套了一份内存申请的思路. 上面摘录的三点, 能够表明, 从功能上malloc 可以替代 calloc.

最后表明 glibc(gcc) 源码上是线程安全的.后面会分析上面接口的具体实现, 并测试个demo.

正文 - 开始实现, 运行demo

　　首先看具体实现, scalloc.c 

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

// 标识枚举
typedef enum {
    HF_Alloc,
    HF_Free
} header_e;

// 每次申请内存的[16-24]字节额外消耗, 用于记录内存申请情况
struct header {
    header_e flag;        // 当前内存使用的标识
    int line;            // 申请的文件行
    const char * file;    // 申请的文件名
    const char * func;    // 申请的函数名
};

// 内部使用的malloc, 返回内存会用'\0'初始化
void *
sm_malloc_(size_t sz, const char * file, int line, const char * func) {
    struct header * ptr = malloc(sz + sizeof(struct header));
    // 检查内存分配的结果
    if(NULL == ptr) {
        fprintf(stderr, "_header_get >%s:%d:%s< alloc error not enough memory start fail!\n", file, line, func);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ptr->flag = HF_Alloc;
    ptr->line = line;
    ptr->file = file;
    ptr->func = func;
    memset(++ptr, , sz);
    return ptr;
}

// 得到申请内存的开头部分, 并检查
static struct header * _header_get(void * ptr, const char * file, int line, const char * func) {
    struct header * node = (struct header *)ptr - ;
    // 正常情况直接返回
    if(HF_Alloc != node->flag) {
        // 异常情况, 内存多次释放, 和内存无效释放
        fprintf(stderr, "_header_get free invalid memony flag %d by >%s:%d:%s<\n", node->flag, file, line, func);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return node;
}

// 内部使用的realloc
void *
sm_realloc_(void * ptr, size_t sz, const char * file, int line, const char * func) {
    struct header * node , * buf;
    if(NULL == ptr)
        return sm_malloc_(sz, file, line, func);

    // 合理内存分割
    node = _header_get(ptr, file, line, func);
    node->flag = HF_Free;
    // 构造返回内存信息
    buf = realloc(node, sz + sizeof(struct header));
    buf->flag = HF_Alloc;
    buf->line = line;
    buf->file = file;
    buf->func = func;

    return buf + ;
}

// 内部使用的free, 每次释放都会打印日志信息
void
sm_free_(void * ptr, const char * file, int line, const char * func) {
    if(NULL !=  ptr) {
        // 得到内存地址, 并且标识一下, 开始释放
        struct header * node = _header_get(ptr, file, line, func);
        node->flag = HF_Free;
        free(node);
    }
}

这里主要围绕 1 插入申请内存头

// 每次申请内存的[16-24]字节额外消耗, 用于记录内存申请情况
struct header {
    header_e flag;        // 当前内存使用的标识
    int line;            // 申请的文件行
    const char * file;    // 申请的文件名
    const char * func;    // 申请的函数名
};

围绕2 在 malloc 时候 和 _header_get 得到头检查 时候, 直接exit.

思路很清晰基础, 假如这代码跑在64位机器上,  线上一个服务器, 运行时创建100000万个malloc对象 .

100000 * (4 + 4 + 8 +8)B / 1024 / 1024 = 2.288818359375 MB 的内存损耗. 还有一次取内存检查的性能损耗.

这些是可以接受的, 特殊时候可以通过打印的信息, 判断出内存调用出错的位置.

扯一点 这里用了枚举 方便和宏区分

// 标识枚举
typedef enum {
    HF_Alloc,
    HF_Free
} header_e;

其实宏和枚举在C中基本一样, 只能人为的添加特殊规范, 约定二者区别. 宏用的太多, 复杂度会越来越大. 双刃剑.

下面我们测试一下 演示demo main.c

#include <stdio.h>
#include "scalloc.h"

/*
 * 测试内存管理, 得到内存注册信息
 */
int main(int argc, char * argv[]) {
    int * piyo = malloc();
    free(piyo);

    puts("start testing...");

    // 简单测试一下
    free(piyo);

    getchar();
    return ;
}

演示结果

到这里 基本思路都已经介绍完毕了. 主要核心就是偷梁换柱.

后记 - ~○~

　　错误是难免的, 有问题再打补丁修复. 欢迎将这思路用在自己的项目构建中.