TLSF算法分析

注:本文的大部分内容摘录自论文《TLSF: a New Dynamic Memory Allocator for Real-Time Systems》,可以通过“科学上网”访问如下链接阅读原文:http://www.gii.upv.es/tlsf/files/ecrts04_tlsf.pdf。

什么是TLSF

TLSF是Two Level Segregated Fit memory allocator的缩写,是一种动态内存分配算法。名称中有两个关键词,Segregated Fit和Two Level。

首先我们来了解什么是Segregated Fit。在内存分配算法中,空闲内存块的管理是算法的核心。根据寻找空闲内存块的策略,可以将内存分配算法分为以下几种:

  • Sequential Fit:将所有的空闲内存块,放入到一个单向/双向链表中。这是最基础的管理策略。算法非常简单,但寻找空闲内存块的效率依赖于链表的大小。
  • Segregated Fit:将所有的空闲块,放入到一组链表中,每一个链表中只包含某一个大小范围的空闲块。例如最典型的dlmalloc算法。
  • Buddy System: Segregate Fit算法的变种,具有更好的切割和合并效率,又很多变种,如Binary Buddies,Fibonacci Buddies, Weighted Buddies等。通常这类算法的内部碎片化问题比较严重。
  • Indexed Fit:通过一些高阶的数据结构来索引(Index)空闲的内存块。例如基于平衡树的“Best Fit”算法。
  • Bitmap Fit: Indexed Fit算法的变种,通过一小段内存的位图来标记对应的内存是空闲的还是使用中。

所以TLSF是一种通过一组链表来管理不同大小内存块的内存分配算法。

为什么称为Two Level?

基本的Segregated Fit算法是使用一组链表,每个链表只包含特定长度范围来的空闲块的方式来管理空闲块的,这样链表数组的长度可能会很大。如下图,TLSF为了简化查找定位过程,使用了两层链表。第一层,将空闲内存块的大小根据2的幂进行分类,如(16、32、64...)。第二层链表在第一层的基础上,按照一定的间隔,线性分段。比如2的6次方这一段,分为4个小区间【64,80),【80,96),【96,112),【112,128).每一级的链表都有一个bitmap用于标记对应的链表中是否有内存块。比如第一级别bitmap的后4bit位0100,即2的6次方这个区间有空闲块。对应的第二级链表的bitmap位0010及【80,96)这个区间有空闲块,即下面的89 Byte。

TLSF算法分析_第1张图片

给定一个内存块的大小,确定在两级链表中的位置(f,s)的算法如下:

TLSF算法分析_第2张图片

其中2的SLI次幂表示第二级链表的区间大小,比如上图中,区间大小为16,即2的4次方。这样大小为460字节的空闲快在链表中的位置为f=8,s=12,如下图:

TLSF算法分析_第3张图片


TLSF适用环境

实时系统RTOS对内存分配算法有以下两个要求:

  • 内存分配/释放的执行时间可预期,可接受的。由于RTOS对指令的执行时间有严格要求,所以常常采用静态内存分配的方法,以获得一个可以预期的执行时间。
  • 内存分配算法的碎片化程度要低,这是由于RTOS往往长时间执行,碎片化程度高会导致内存分配失败。

TLSF算法的目标运行系统是:

  • 可信的执行环境,Trusted Environment,应用不会故意破坏数据或者窃取数据。
  • 有限的物理内存。
  • 没有物理MMU来支持虚拟内存。

为了在这样的环境下运行,TLSF算法使用了如下的策略:

  • Immediate coalescing,立即合并,当内存块被释放后,立即与相邻的空闲内存块合并,以获得一个更大的空闲块,插入到链表的相应位置。这样可以减少碎片化。
  • Splitting threshold,分割阈值,最小可分配的内存块大小为16字节,应用一般不会分配一些基本的数据结构,如int、char等。限定最小可分配大小为16字节,这样可以在空闲的内存块中存储一些管理信息。
  • Good-fit strategy,TLSF会尽可能的返回一个最小的、能够满足需求的内存块。
  • Same strategy for all block sizes,对于不同大小的内存请求,TLSF只有一个分配策略,实现相对简单,执行时间可以预期。相应的dlmalloc根据所请求的内存大小不同,有多达4种内存分配策略。
  • Memory is not cleaned-up,分配个应用的内存没有被请0.

TLSF的特点在于:

  • 可以预期的分配执行时间,无论对于多达的内存分配请求,TLSF可以在限定的时间内完成分配。
  • 碎片化程度低。


未完待续

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