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

本篇关键词：TLFS 、内存池 、malloc、free

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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

• 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)

• 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)

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)

• 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)

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

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