CSAPP Malloc lab-编程知识

CSAPP Malloc Lab

目标

实现一个简单的动态存储分配器。

评分标准

在这里插入图片描述
空间利用率应当减少internal 和 external fragmentation.

memory utilization

在这里插入图片描述
memory utilization = payload / heap size

fragmentation

在这里插入图片描述

internal fragmentation

在这里插入图片描述

external fragmentation

在这里插入图片描述

throughput

在这里插入图片描述

T 越接近T_libc 吞吐量越高，也就是1s 内可以执行的op数量越多越好。
在这里插入图片描述

dynamic memory allocator

在这里插入图片描述
dynamic memory allocator分配heap的空间。

dynamic memory allocator 通过free list记录heap的free block, 收到free 请求的时候，查询free list 找到满足free request的block。

implicit free list 有多重查找free block 的方式，包括first fit, best fit, 和 next fit 等。
在这里插入图片描述
explicit free list 有多种insertion policy, 例如LIFO, 和address-ordered 等。

所以使用seglist 和first-fit.

allocator 设计重点

在这里插入图片描述
explicit list 和 seglist 还需要考虑

项目文件

在这里插入图片描述
主要是mm.c文件

介绍项目文件

memlib.c

在这里插入图片描述

return (void *)-1 是一个 C 语言中的语句，它的含义是将一个指针类型的值设置为 -1，然后将其转换为 void 指针类型，并返回。这通常用于表示一个特殊的错误条件或者指示函数执行失败。

mm.c 宏定义和常量

在这里插入图片描述

sizeof函数的单位是byte。
ALIGN 找到最小的alignment的倍数。

mm.c 文件需要实现的函数

在这里插入图片描述
mm_init 初始化heap和free list
mm_malloc 返回指向已经分配的block的payload的指针
mm_free 释放指向block的指针，为了避免fragmentation, 还需要执行free block 的合并。

seglist 设计和实现

指针操作

在这里插入图片描述
size = payload + header + footer

free list 函数操作

在这里插入图片描述
bp就是succ的地址，对于seglist的root节点。

DSIZE * (size + DSIZE + DSIZE -1)/DSIZE)

等价于

(size + DSIZE +DSIZE -1) & ~(0xF)

free block 最小是2 * DSIZE (16 bytes),
对于 (0,16), 直接返回 2 * DSIZE;
对于 size = 16n+ (0, 16), 返回16 * (n+1);

mm_init 初始化seglist

在这里插入图片描述
extend_heap , 通过mem_sbrk 修改，heap 范围，(mem_brk 等指针的位置)，更新epilogue和prologue 的信息。

在这里插入图片描述
修改block 的allocated flag, 然后调用imme_coalesce, 查看prev_bp 和 next_bp是否可以合并，更新seglist 的 free block 数据。

在这里插入图片描述
使用first_fit查看是否有符合size大小的free blk, 没有的话，先合并，合并之后size仍然小于asize, 调用extend_heap函数。同时，如果找到的free blk 大于asize, 查看是否大于最小free blk size(header + footer + prev + succ, 4 word, word == 4 bytes), 大于进行split, 将剩余的部分加入seglist。

在这里插入图片描述
合并blk 存在4 种情况：

allocated blk 的header 和footer 不再记录size和allocate flag , 提高了heap的内存使用效率。

在这里插入图片描述

64位设备运行32程序

sudo yum install glibc.i686 libstdc++.i686

malloc 使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {// 使用 malloc 分配足够的空间来存储一个指针int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int*)*2);if (ptr == NULL) {// 检查内存分配是否成功printf("内存分配失败\n");return 1; // 返回错误码}// 假设有一个地址需要存储int x = 222;// 将地址存储到分配的内存中*ptr = &x;// 打印存储的地址值printf("存储的地址值：%p\n", *ptr);int * p = *ptr;printf("val: %d \n", *p);printf("存储的地址值：%p\n", &x);*(ptr+1) = 333;printf("val: %d \n", *(ptr+1));// 释放分配的内存free(ptr);return 0; // 返回成功码
}

在这里插入图片描述

段错误

0x00000000 导致段错误

[root@edb3963640a6 malloclab-handout]# ./mdriver -V -f short1-bal.rep
Team Name:Nahida_team
Member 1 :Nahida:nahida@cs.cmu.edu
Measuring performance with gettimeofday().Testing mm malloc
Reading tracefile: short1-bal.rep
Segmentation fault (core dumped)

执行指令出现段错误

Core was generated by `./mdriver -V -f short1-bal.rep'.
Program terminated with signal 11, Segmentation fault.
#0  0x0804b29b in delete_blk (bp=0xf69a6888 '\004' <repeats 200 times>...) at mm.c:309
309         PUT(GET_SUCCP(pred_bp), succ_bp);
Missing separate debuginfos, use: debuginfo-install glibc-2.17-326.el7_9.i686
(gdb) bt
#0  0x0804b29b in delete_blk (bp=0xf69a6888 '\004' <repeats 200 times>...) at mm.c:309
#1  0x0804b113 in imme_coalesce (bp=0xf69a6888) at mm.c:245
#2  0x0804b60d in mm_free (ptr=0xf69a6888) at mm.c:455
#3  0x08049d8c in eval_mm_valid (trace=0x824a050, tracenum=0, ranges=0xfffef17c) at mdriver.c:674
#4  0x08049039 in main (argc=4, argv=0xfffef294) at mdriver.c:296

在这里插入图片描述
prev_bp 指针和 bp指针指向同一个位置？

测试可以通过的case, 不存在prev_bp 和 bp地址一样的问题。

在这里插入图片描述
prev_bp (0xf69fa888) 到 bp(0xf69fb038) 是一个size 6064的block, 对于0x 00000000 使用get_alloc 得到0，所以导致prev_bp 获取的指针地址不准确，导致段错误。

在这里插入图片描述

mm_malloc 问题

Testing mm malloc
Reading tracefile: ./traces/amptjp-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, ERROR [trace 0, line 203]: Payload (0xf69d6038:0xf69d6040) lies outside heap (0xf69bd008:0xf69d6037)

在这里插入图片描述
New value 应该是1320。

old value = 1424 时候得打断点。
return 是bp 还是bp_header, 使用bp_header会导致

举个例子，size = 13, 13+8 +7 = 28
00000000 00000000 00000000 00011100 && ~(0xF) = 00000000 00000000 00000000 00000001
而不是 00000000 00000000 00000000 00010000.

在这里插入图片描述

realloc-bal.rep 和 realloc2-bal.rep

Reading tracefile: realloc-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, ERROR [trace 9, line 7]: Payload (0xf69ed038:0xf69ed2b7) overlaps another payload (0xf69ed240:0xf69ed2bf)Reading tracefile: realloc2-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, ERROR [trace 10, line 7]: mm_realloc did not preserve the data from old block

[root@edb3963640a6 malloclab-handout]# ./mdriver -f ./traces/realloc-bal.rep -V
Team Name:Nahida_team
Member 1 :Nahida:nahida@cs.cmu.edu
Measuring performance with gettimeofday().Testing mm malloc
Reading tracefile: ./traces/realloc-bal.rep
Segmentation fault (core dumped)

在这里插入图片描述
imme_coalesce 会合并prev_bp 和bp, old_bp 一般是bp, 但是prev_bp 和bp 合并时会修改bp_header, 导致oldbp_size小于DSIZE, memcpy函数出现段错误。

[root@edb3963640a6 malloclab-handout]# ./mdriver -V                            
Team Name:Nahida_team
Member 1 :Nahida:nahida@cs.cmu.edu
Using default tracefiles in /home/csapp/Malloc_Lab/malloclab-handout/traces/
Measuring performance with gettimeofday().Testing mm malloc
Reading tracefile: amptjp-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: cccp-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: cp-decl-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: expr-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: coalescing-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: random-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: random2-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: binary-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: binary2-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: realloc-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.
Reading tracefile: realloc2-bal.rep
Checking mm_malloc for correctness, efficiency, and performance.Results for mm malloc:
trace  valid  util     ops      secs  Kops0       yes   98%    5694  0.013128   4341       yes   94%    5848  0.013082   4472       yes   98%    6648  0.012994   5123       yes   99%    5380  0.013417   4014       yes   66%   14400  0.013624  10575       yes   89%    4800  0.014118   3406       yes   85%    4800  0.013772   3497       yes   55%   12000  0.016546   7258       yes   51%   24000  0.015425  15569       yes   48%   14401  0.030041   479
10       yes   45%   14401  0.015555   926
Total          75%  112372  0.171701   654Perf index = 45 (util) + 40 (thru) = 85/100