C 中用于内存管理器的各种长度结构？

Question

我练习用C实现一个内存管理器

我想要具有各种长度和自我描述的结构。所以，我偷看了一本POSIX教科书的东西，像这样：

struct layout
{
 uint32_t  size; // array size in bytes, include space after the struct
 uchar_t   data[1];
};

// But, is next line correct?
layout *val = malloc (array_memory_in_bytes + sizeof (uint32_t) - 1);
// Where does a static array keep the pointer for using it?

如果我在不间断的内存中一个接一个地拥有多个这样的结构，并且我希望能够遍历它们。我可以写点像这样的东西吗:

layout *val1 = pointer;
layout *val2 = val1 + val1.size + sizeof (val1.size);

或者你能推荐我一个更好的方法吗？

Answer 1

它的标准 C 版本称为 灵活数组成员，它看起来像：

struct layout
{
    uint32_t size;
    uchar_t data[];
};

// allocate one of these blocks (in a function)
struct layout *val = malloc( sizeof *val + number_of_bytes );
val->size = number_of_bytes;

代码 val1->data + val1->size 将为您提供 space 您刚刚 malloc 的最后一个指针。

但是，您不能迭代一个 malloc' 块的末尾并希望击中另一个 malloc' 个块。要实现这个想法，您必须 malloc 一个大块，然后在其中放置各种 struct layout 对象，注意 alignment.

在这种方法中，最好还存储每个 struct layout 所在位置的索引。从理论上讲，您可以每次都从头开始浏览列表，添加 size 然后进行对齐调整；但这会很慢，而且这意味着你无法处理中间的块被释放并重新 "allocated".

如果这是 malloc 的直接替代品，那么实际上有两个对齐注意事项：

对齐 struct layout
data 必须对齐任何可能的类型

解决这个问题的最简单方法是也为任何可能的类型对齐 struct layout。这可能看起来像（注意：需要 #include <stdint.h>）：

struct layout
{
    uint64_t size;    // may as well use 64 bits since they're there
    _Alignas(max_align_t) uchar_t data[];
};

另一种方法可能是将 size 保持在 32 位并加入 pragma pack 以防止填充；那么你需要使用一些额外的复杂性来确保 struct layout 被放置在 max_align_t 字节边界之前 4 个字节，等等。我建议先用简单的方法来获取代码运行；然后稍后您可以返回并尝试此更改，以便根据需要节省几个字节的内存。

替代方法：

将 struct layout 的每个实例及其尾随数据保存在单独的分配中。
将 data 更改为指向 malloc 的指针 space；那么您可以将所有 struct layout 对象保存在一个数组中。

Answer 2

一般的想法可行，但只有当 most-severe 边界对齐情况是 int 时，该特定结构才可行。

内存管理器，尤其是可能是 back-end 实现 malloc() 的内存管理器，必须知道 worst-case 边界是什么。数据的实际开始必须在该边界上，以满足分配的内存适当对齐以存储任何数据类型的一般要求。

完成此操作的最简单方法是使 layout 结构描述的长度分配 header 和实际分配大小都是该对齐单元的倍数。

无论如何，您不能将数据的开头描述为结构成员，并且该结构的大小就是 header 的大小。 C 不支持 zero-length 字段。您应该使用一些东西将该数组放在边界上，并使用 <stddef.h>.

中的 offsetof() 宏

个人而言，我会使用 union，基于旧习惯和偶尔使用 Visual C++ for C。但是 uint32_t 是 C99 类型，如果你也有 C11 支持你可以使用 _Alignas()。这样，您的结构可能看起来像：

#define ALIGN_TYPE double /* if this is the worst-case type */
#define ALIGN_UNIT ((sizeof)(ALIGN_TYPE))
#define ALIGN_SIZE(n) (((size_t)(n) + ALIGN_UNIT - 1) & ~(ALIGN_UNIT-1))

typedef struct layout
{
    size_t size; /* or use uint32_t if you prefer */
    _Alignas(ALIGN_UNIT) char data[1];

} layout;

#define HEADER_SIZE (offsetof(layout, data))

这使得除了 worst-case 对齐类型之外的大多数内容都是符号化的。您将分配组合的 header 加数据数组：

layout *ptr = (layout*) malloc(HEADER_SIZE + ALIGN_SIZE(number_of_bytes));
ptr->size = HEADER_SIZE;

ALIGN_SIZE 类型实际上不是符号常量，除非 C99/C11 更改了 sizeof 的定义。例如，您不能使用它来计算普通数组维度。如果这是一个问题，您可以硬编码文字数字，例如 8 表示典型的双精度数字。请注意 long double 在许多 x86 实现上的大小（10 字节）有问题。如果您打算将分配单元基于类型，那么 long double 可能不是您的最佳选择。

C 中用于内存管理器的各种长度结构？

Various length structure in C for memory manager?

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