内存碎片产生原因及处理技术

内存碎片是一个很棘手的问题。如何分配内存决定着内存碎片是否会、何时会、如何会成为一个问题。

　　即使在系统中事实上仍然有许多空闲内存时，内存碎片还会最终导致出现内存用完的情况。一个不断产生内存碎片的系统，不管产生的内存碎片多么小，只要时 间足够长，就会将内存用完。这种情况在许多嵌入式系统中，特别是在高可用性系统中是不可接受的。有些软件环境，如 OSE 实时操作系统已经备有避免内存碎片的良好工具，但个别程序员做出的选择仍然会对最终结果形成影响。
　　“碎片的内存”描述一个系统中所有不可用的空闲内存。这些资源之所以仍然未被使用，是因为负责分配内存的分配器使这些内存无法使用。这一问题通常都会 发生，原因在于空闲内存以小而不连续方式出现在不同的位置。由于分配方法决定内存碎片是否是一个问题，因此内存分配器在保证空闲资源可用性方面扮演着重要 的角色。

　　编译时间与运行时间
　 　在许多情况下都会出现内存分配问题。程序员可以通过编译程序和链接程序，为结构、并集、数组和标量（用作局部变量、静态变量或全局变量）方面的数据分配 内存，程序员还可以在运行时间使用诸如 malloc()调用命令动态地分配内存。当用编译程序和链接程序完成内存分配功能时，就不会出现内存碎片，因为编译程序了解数据寿命。掌握可供使用的数 据寿命，好处在于可以使数据以后进先出的方式叠加起来。这样就可以使内存分配程序工作效率更高，而不会出现内存碎片。一般来说，运行时间内的内存分配是不 可叠加的。内存分配在时间上是独立的，从而使得碎片问题难以解决。

图 1，内存碎片的几种形式。

内 存分配程序浪费内存的基本方式有三种：即额外开销、内部碎片以及外部碎片（图 1）。内存分配程序需要存储一些描述其分配状态的数据。这些存储的信息包括任何一个空闲内存块的位置、大小和所有权，以及其它内部状态详情。一般来说，一 个运行时间分配程序存放这些额外信息最好的地方是它管理的内存。内存分配程序需要遵循一些基本的内存分配规则。例如，所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除（视处理器体系结构而定）的地址。内存分配程序把仅仅预定大小的内存块分配给客户，可能还有其它原因。当某个客户请求一个 43 字节的内存块时，它可能会获得 44字节、48字节 甚至更多的字节。由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
　　外部碎片的产生是当已分配内存块之间出现未被使用的差额时，就会产生外部碎片。例如，一个应用程序分配三个连续的内存块，然后使中间的一个内存块空 闲。内存分配程序可以重新使用中间内存块供将来进行分配，但不太可能分配的块正好与全部空闲内存一样大。倘若在运行期间，内存分配程序不改变其实现法与四 舍五入策略，则额外开销和内部碎片在整个系统寿命期间保持不变。虽然额外开销和内部碎片会浪费内存，因此是不可取的，但外部碎片才是嵌入系统开发人员真正 的敌人，造成系统失效的正是分配问题。
　　定义内存碎片的方法有几种，其中最常用的是：

这 一方法适用于外部碎片，但可以修改这一公式使之包括内部碎片，办法是把内部碎片加入到分母中。内存碎片是一个介于 0 和 1 之间的分数。一个碎片为 1(100%)的系统就是把内存全用完了。如果所有空闲内存都在一个内存块（最大内存块）中，碎片为 0%。当所有空闲内存的四分之一在最大内存块中时，碎片为 75%。例子如下：一个系统有 5M 字节的空闲内存，当它可用来分配的最大内存块为 50 k 字节时，其内存碎片为99%。这个 99%内存碎片实例来自开发嵌入式软实时系统期间出现的一种真实情况。当这种碎片程度发生一秒后，系统就崩溃了。该系统在碎片率达到 99% 之前，已经进行了约两周的连续现场测试。这种情况是如何发生的？为什么会发现得如此晚？当然，系统都经过测试，但测试很少超过两个小时。交付前的最后压力 测试持续了一个周末。在这样短的测试周期内未必会产生内存碎片的后果，所以就发生了内存碎片需要多长时间才会达到临界值，这一问题很难回答。对某些应用来 说，在某些情况下，系统会在用完内存前达到一种稳定状态。而对于另一些应用来说，系统则不会及时达到稳定状态（图 2）。只要消除不确定性因素和风险因素，不产生碎片的内存分配程序（图 3）就能快速达到一种稳定状态，从而有助于开发人员夜晚安稳睡觉。在开发数月甚至数年不再重新启动的长期运行系统时，快速收敛到稳定状态是一个重要因素。 在比系统连续运行周期短的时间内，对系统进行适当的测试，这是必不可少的。

图 2，这一案例研究把最先适合内存分配程序用于一个嵌入系统项目。系统在现场测试中连续运行了两周，然后碎片率达到 99%。

图 3，一个不产生碎片的内存分配程序一旦试验应用程序的全部，它就能达到稳定状态。

　　很难确定哪种内存分配算法更胜一筹，因为每种算法在不同的应用中各有所长（表 1）。最先适合内存分配算法是最常用的一种。它使用了四个指针：MSTART 指向被管理内存的始端；MEND 指向被管理内存的末尾；MBREAK 指向 MSTART 和 MEND 之间已用内存的末端； PFREE 则指向第一个空闲内存块（如果有的话）。

在 系统开始运行时，PFREE 为 NULL，MBREAK 指向 MSTART。当一个分配请求来到时，分配程序首先检查 PFREE有无空闲内存块。由于 PFREE 为 NULL，一个具有所请求存储量加上管理标题的内存块就脱离 MBREAK ，然后MBREAK就更新。这一过程反复进行，直至系统使一个内存块空闲，管理标题包含有该存储块的存储量为止。此时，PFREE 通过头上的链接表插入项被更新为指向该内存块，而块本身则用一个指向旧 PFREE 内容的指针进行更新，以建立一个链接表。下一次出现分配请求时，系统就会搜索空闲内存块链接表，寻找适合请求存储量的第一个空闲内存块。一旦找到合适的内 存块，它将此内存块分成两部分，一部分返还给系统，另一部分则送回给自由表。
　　最先适合内存分配算法实现起来简单，而且开始时很好用。但是，经过一段时间后，会出现如下的情况：当系统将内存交给自由表时，它会从自由表的开头部分 去掉大内存块，插入剩余的小内存块。最先适合算法实际上成了一个排序算法，即把所有小内存碎片放在自由表的开头部分。因此，自由表会变得很长，有几百甚至 几千个元素。因此，内存分配变得时间很长又无法预测，大内存块分配所花时间要比小内存块分配来得长。另外，内存块的无限制拆分使内存碎片程度很高。有些实 现方法在使内存空闲时会将邻近的空闲内存块连接起来。这种方法多少有些作用，而最先适合算法与时间共处算法(time co-location)和空间共处算法(spatial co-location)不同，它在使内存块空闲时，无法提高相邻内存块同时空闲的概率。

　　最佳适合与最差适合分配程序
　　最佳适合算法在功能上与最先适合算法类似，不同之处是，系统在分配一个内存块时，要搜索整个自由表，寻找最接近请求存储量的内存块。这种搜索所花的时 间要比最先适合算法长得多，但不存在分配大小内存块所需时间的差异。最佳适合算法产生的内存碎片要比最先适合算法多，因为将小而不能使用的碎片放在自由表 开头部分的排序趋势更为强烈。由于这一消极因素，最佳适合算法几乎从来没有人采用过。
　　最差适合算法也很少采用。最差适合算法的功能与最佳适合算法相同，不同之处是，当分配一个内存块时，系统在整个自由表中搜索与请求存储量不匹配的内存 快。这种方法比最佳适合算法速度快，因为它产生微小而又不能使用的内存碎片的倾向较弱。始终选择最大空闲内存块，再将其分为小内存块，这样就能提高剩余部 分大得足以供系统使用的概率。
　　伙伴(buddy)分配程序与本文描述的其它分配程序不同，它不能根据需要从被管理内存的开头部分创建新内存。它有明确的共性，就是各个内存块可分可 合，但不是任意的分与合。每个块都有个朋友，或叫“伙伴”，既可与之分开，又可与之结合。伙伴分配程序把内存块存放在比链接表更先进的数据结构中。这些结 构常常是桶型、树型和堆型的组合或变种。一般来说，伙伴分配程序的工作方式是难以描述的，因为这种技术随所选数据结构的不同而各异。由于有各种各样的具有 已知特性的数据结构可供使用，所以伙伴分配程序得到广泛应用。有些伙伴分配程序甚至用在源码中。伙伴分配程序编写起来常常很复杂，其性能可能各不相同。伙 伴分配程序通常在某种程度上限制内存碎片。
　　固定存储量分配程序有点像最先空闲算法。通常有一个以上的自由表，而且更重要的是，同一自由表中的所有内存块的存储量都相同。至少有四个指 针：MSTART 指向被管理内存的起点，MEND 指向被管理内存的末端，MBREAK 指向 MSTART 与 MEND 之间已用内存的末端，而 PFREE[n] 则是指向任何空闲内存块的一排指针。在开始时，PFREE[*] 为 NULL，MBREAK 指针为 MSTART。当一个分配请求到来时，系统将请求的存储量增加到可用存储量之一。然后，系统检查 PFREE[ 增大后的存储量 ] 空闲内存块。因为 PFREE[ 增大后的存储量 ] 为 NULL，一个具有该存储量加上一个管理标题的内存块就脱离 MBREAK，MBREAK 被更新。
　　这些步骤反复进行，直至系统使一个内存块空闲为止，此时管理标题包含有该内存块的存储量。当有一内存块空闲时，PFREE[ 相应存储量 ] 通过标题的链接表插入项更新为指向该内存块，而该内存块本身则用一个指向 PFREE[ 相应存储量 ] 以前内容的指针来更新，以建立一个链接表。下一次分配请求到来时，系统将 PFREE[ 增大的请求存储量 ] 链接表的第一个内存块送给系统。没有理由搜索链接表，因为所有链接的内存块的存储量都是相同的。
　　固定存储量分配程序很容易实现，而且便于计算内存碎片，至少在块存储量的数量较少时是这样。但这种分配程序的局限性在于要有一个它可以分配的最大存储 量。固定存储量分配程序速度快，并可在任何状况下保持速度。这些分配程序可能会产生大量的内部内存碎片，但对某些系统而言，它们的优点会超过缺点。

　　减少内存碎片
　　内存碎片是因为在分配一个内存块后，使之空闲，但不将空闲内存归还给最大内存块而产生的。最后这一步很关键。如果内存分配程序是有效的，就不能阻止系 统分配内存块并使之空闲。即使一个内存分配程序不能保证返回的内存能与最大内存块相连接（这种方法可以彻底避免内存碎片问题），但你可以设法控制并限制内 存碎片。所有这些作法涉及到内存块的分割。每当系统减少被分割内存块的数量，确保被分割内存块尽可能大时，你就会有所改进。
　　这样做的目的是尽可能多次反复使用内存块，而不要每次都对内存块进行分割，以正好符合请求的存储量。分割内存块会产生大量的小内存碎片，犹如一堆散 沙。以后很难把这些散沙与其余内存结合起来。比较好的办法是让每个内存块中都留有一些未用的字节。留有多少字节应看系统要在多大程度上避免内存碎片。对小 型系统来说，增加几个字节的内部碎片是朝正确方向迈出的一步。当系统请求1字节内存时，你分配的存储量取决于系统的工作状态。
　　如果系统分配的内存存储量的主要部分是 1 ～ 16 字节，则为小内存也分配 16 字节是明智的。只要限制可以分配的最大内存块，你就能够获得较大的节约效果。但是，这种方法的缺点是，系统会不断地尝试分配大于极限的内存块，这使系统可 能会停止工作。减少最大和最小内存块存储量之间内存存储量的数量也是有用的。采用按对数增大的内存块存储量可以避免大量的碎片。例如，每个存储量可能都比 前一个存储量大 20%。在嵌入式系统中采用“一种存储量符合所有需要”对于嵌入式系统中的内存分配程序来说可能是不切实际的。这种方法从内部碎片来看是代价极高的，但系 统可以彻底避免外部碎片，达到支持的最大存储量。
　　将相邻空闲内存块连接起来是一种可以显著减少内存碎片的技术。如果没有这一方法，某些分配算法（如最先适合算法）将根本无法工作。然而，效果是有限 的，将邻近内存块连接起来只能缓解由于分配算法引起的问题，而无法解决根本问题。而且，当内存块存储量有限时，相邻内存块连接可能很难实现。
　　有些内存分配器很先进，可以在运行时收集有关某个系统的分配习惯的统计数据，然后，按存储量将所有的内存分配进行分类，例如分为小、中和大三类。系统 将每次分配指向被管理内存的一个区域，因为该区域包括这样的内存块存储量。较小存储量是根据较大存储量分配的。这种方案是最先适合算法和一组有限的固定存 储量算法的一种有趣的混合，但不是实时的。
　　有效地利用暂时的局限性通常是很困难的，但值得一提的是，在内存中暂时扩展共处一地的分配程序更容易产生内存碎片。尽管其它技术可以减轻这一问题，但 限制不同存储量内存块的数目仍是减少内存碎片的主要方法。
　　现代软件环境业已实现各种避免内存碎片的工具。例如，专为分布式高可用性容错系统开发的 OSE 实时操作系统可提供三种运行时内存分配程序：内核 alloc()，它根据系统或内存块池来分配；堆 malloc()，根据程序堆来分配； OSE 内存管理程序 alloc_region，它根据内存管理程序内存来分配。
　　从 许多方面来看，Alloc就是终极内存分配程序。它产生的内存碎片很少，速度很快，并有判定功能。你可以调整甚至去掉内存碎片。只是在分配一个存储量后， 使之空闲，但不再分配时，才会产生外部碎片。内部碎片会不断产生，但对某个给定的系统和八种存储量来说是恒定不变的。
　　Alloc 是一种有八个自由表的固定存储量内存分配程序的实现方法。系统程序员可以对每一种存储量进行配置，并可决定采用更少的存储量来进一步减少碎片。除开始时以 外，分配内存块和使内存块空闲都是恒定时间操作。首先，系统必须对请求的存储量四舍五入到下一个可用存储量。就八种存储量而言，这一目标可用三个 如果 语句来实现。其次，系统总是在八个自由表的表头插入或删除内存块。开始时，分配未使用的内存要多花几个周期的时间，但速度仍然极快，而且所花时间恒定不 变。
　　堆 malloc() 的内存开销（8 ～ 16 字节/分配）比 alloc小，所以你可以停用内存的专用权。malloc() 分配程序平均来讲是相当快的。它的内部碎片比alloc()少，但外部碎片则比alloc()多。它有一个最大分配存储量，但对大多数系统来说，这一极限 值足够大。可选的共享所有权与低开销使 malloc() 适用于有许多小型对象和共享对象的 C++ 应用程序。堆是一种具有内部堆数据结构的伙伴系统的实现方法。在 OSE 中，有 28 个不同的存储量可供使用，每种存储量都是前两种存储量之和，于是形成一个斐波那契（Fibonacci）序列。实际内存块存储量为序列数乘以 16 字节，其中包括分配程序开销或者 8 字节/分配（在文件和行信息启用的情况下为 16 字节）。
　　当你很少需要大块内存时，则OSE内存管理程序最适用。典型的系统要把存储空间分配给整个系统、堆或库。在有 MMU 的系统中，有些实现方法使用 MMU 的转换功能来显著降低甚至消除内存碎片。在其他情况下，OSE 内存管理程序会产生非常多的碎片。它没有最大分配存储量，而且是一种最先适合内存分配程序的实现方法。内存分配被四舍五入到页面的偶数——典型值是 4 k 字节。（T111）