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v37.01 鸿蒙内核源码分析(TLFS算法篇) | 图表解读TLFS原理 | 百篇博客分析OpenHarmony源码

2022-05-06 12:00 https://my.oschina.net/weharmony/blog/5522610 鸿蒙内核源码分析次阅读条评论

本篇关键词：TLFS 、内存池、malloc、free

内存管理相关篇为:

动态分配

本篇开始说一个耳朵听起老茧的概念 动态分配，将分成上下两篇，本篇为上篇，看完能快速理解下篇鸿蒙内核源码对动态内存的具体实现。

鸿蒙内核源码分析(TLFS算法) 结合图表从理论视角说清楚 TLFS 算法
鸿蒙内核源码分析(内存池管理) 结合源码说清楚鸿蒙内核动态内存池实现过程，个人认为这部分代码很精彩，简洁高效，尤其对空闲节点和已使用节点的实现令人称奇。

TLFS 原理

TLSF(Two-Level Segregate Fit) 是一种用于实时操作系统的内存分配算法，用两级结构对空闲块按大小进行划分，采用两级链表/索引的方式来加快查找。详细可查看 >> TLSF 论文。

把上图看懂基本能明白 TLFS 的原理，请尝试自己先理解一遍再看本篇。

解读

为方便理解，将上图做成(表一)，中间过程请查看图表变化

步骤	操作	一级位图 (FL_bitmap)	二级位图 (SL_bitmaps[])	空闲链表(大小-虚拟地址)
第一步	初始阶段	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)

右边为第一级链表 First List (简称fl)。将空闲内存块的大小根据2的幂进行分类，如（32、64、128、...），这跟伙伴算法很类似，伙伴算法是物理内存的分配算法，这样做的好处是防止外部碎片化，是否空闲用位图标识 FL_bitmap | 一维数组，0011代表 [32-64]、[64-128]这个区间有内存可以申请，例如： malloc(37) 时，查到在区间[32-64]中，为 1代表本次可能可以申请到内存，但具体行不行得进入第二级查看。
中间为第二级链表 Second List (简称sl)。第二层链表在第一层的基础上，按照一定的间隔，线性分段，图中将其分成 8等份，对于[32-64]来说 1/8为4，对于[64 - 128]来说 1/8为8，可以确定的是等份也是2的倍数，同样是否空闲用位图标识SL_bitmaps[] | 二维数组 ，每个bit代表是否空闲，图中代表 [36 - 39]有内存可供分配，再查看其空闲链表发现真正可供分配的空间有两块，38 和 36，自然将 38 给 malloc(37) 返回，此时空闲链表中还剩36节点，所以一二级位图数据不会有任何的变化。
左边为空闲链表块，上面挂fl，sl都为1时的空闲内存块，块大小为区间范围值，图中有两个空闲块 38b --> 36b，109b --> 104b，在实际运行过程往往出现同样大小的内存块例如38b --> 36b--> 36b

申请过程

用二次申请说明详细过程

malloc(37) ，发现值在区间[32-64]并对应fl的位图为1，说明sl中肯定会有一个1，但并不能保证能申请到。得细看第二步sl发现区间[36 - 39]的位图为1，说明空闲链表中肯定会有一块内存，，但也不能保证大小适合37。再看最后一步，发现有两块内存38b --> 36b，只有38b符合，于是**malloc(37)**的结果是获得了一块大小38b的内存块，相差的一个 1b称为内部碎片，这种碎片无法避免。将(表一)更新为(表二)

步骤	操作	一级位图 (FL_bitmap)	二级位图 (SL_bitmaps[])	空闲链表(大小-虚拟地址)
第一步	初始阶段	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)
第二步	malloc(37)<br>返回地址0x3457	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 36b(0xed31)

malloc(50)，同样落在[32-64]查看fl的位图为1，查看第二步sl只有[36 - 39]的位图为1，而 50 > 39，不能满足所以没必要看第三步，得返回第一步往上走发现[64-128]的fl的位图为1，50 < 64 说明 malloc(50) 这次肯定能申请到内存了，查看[64-128]对应的sl发现[104-111]的位图为1，到第三步发现有109b --> 104b两块，选择其中更小104b的块切割成50，54两小块，此时要对54处理挂入空闲链表，54处于fl = [32-64]， sl = [52-55]区间，地址为: 0x6838+50=0x686A 。所以将[52-55]区间位图置为1，并挂入空闲链表。将(表二)更新为(表三)

步骤	操作	一级位图 (FL_bitmap)	二级位图 (SL_bitmaps[])	空闲链表(大小-虚拟地址)
第一步	初始阶段	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)
第二步	malloc(37)<br>返回地址0x3457	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 36b(0xed31)
第三步	malloc(50)<br>返回地址0x6838	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00100010	109b(0x5625) <br> 54b(0x686A) <br> 36b(0xed31)

注意此时[32-64]的二级位图变成了 00100010 有两个1

释放过程

同样用二次释放说明详细过程

free(0x3457) 从地址可知正是上面的 malloc(37)的内存，与分配切割相对应的是释放有合并的步骤，但malloc(37)虽然申请是37，但其实内核记录的内存块大小是38，所以会找寻地址为 0x3457 + 38 = 0x348F 的地址是否也处于空闲，如果是则合并，由表三可知并没有 0x348F的空闲块将，而38位于fl = [32-64]，sl = [36-39]区间，所以挂回该空闲链表等待后续再分配使用，由此(表三)更新为(表四)

步骤	操作	一级位图 (FL_bitmap)	二级位图 (SL_bitmaps[])	空闲链表(大小-虚拟地址)
第一步	初始阶段	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)
第二步	malloc(37)<br>返回地址0x3457	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 36b(0xed31)
第三步	malloc(50)<br>返回地址0x6838	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00100010	109b(0x5625) <br> 54b(0x686A) <br> 36b(0xed31)
第四步	free(0x3457)	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00100010	109b(0x5625)<br> 54b(0x686A) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)

free(0x5610) 这里假设内核记录该内存块大小为 0x15，归还的同时会找寻0x5610 + 0x15 = 0x5625 是否有空闲块，发现sl = [104-111]有一块109b空闲块，两块合成一块大小为 109 + 0x15 = 109 + 21 = 130，位于fl = [128-255]，sl = [128-143]区间，由此(表四)再更新为(表五)

步骤	操作	一级位图 (FL_bitmap)	二级位图 (SL_bitmaps[])	空闲链表(大小-虚拟地址)
第一步	初始阶段	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)
第二步	malloc(37)<br>返回地址0x3457	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00000010	109b(0x5625) --> 104b(0x6838) <br> 36b(0xed31)
第三步	malloc(50)<br>返回地址0x6838	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00100010	109b(0x5625) <br> 54b(0x686A) <br> 36b(0xed31)
第四步	free(0x3457)	0011	00000000<br>00000000<br>00100000<br>00100010	109b(0x5625)<br> 54b(0x686A) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)
第五步	free(0x5610)	0101	00000000<br>00000001<br>00000000<br>00100010	130b(0x5610) <br> 54b(0x686A) <br> 38b(0x3457) --> 36b(0xed31)

总结

TLSF(Two-Level Segregate Fit) 有两大优点：

实时性，执行速度快，只需查询位图就能知道结果，最多查询两次一级位图，时间复杂度为O(1)。
碎片少，浪费少，利用率高，因采用2次幂的方式，切割和合并非常的方便，很少出现外部碎片。

真正的鸿蒙内存动态分配实现过程比这些要复杂些，但有了本文算法基础做铺垫看源码实现会容易很多。

百文说内核 | 抓住主脉络

百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在加注释过程中，每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切。
与代码需不断debug一样，文章内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。
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