注：本文的大部分內容摘錄自論文《TLSF: a New Dynamic Memory Allocator for Real-Time Systems》，可以通過“科學上網”訪問如下鏈接閱讀原文：http://www.gii.upv.es/tlsf/files/ecrts04_tlsf.pdf。

什么是TLSF

TLSF是Two Level Segregated Fit memory allocator的縮寫，是一種動態內存分配算法。名稱中有兩個關鍵詞，Segregated Fit和Two Level。

首先我們來了解什么是Segregated Fit。在內存分配算法中，空閑內存塊的管理是算法的核心。根據尋找空閑內存塊的策略，可以將內存分配算法分為以下幾種：

• Sequential Fit：將所有的空閑內存塊，放入到一個單向/雙向鏈表中。這是最基礎的管理策略。算法非常簡單，但尋找空閑內存塊的效率依賴于鏈表的大小。
• Segregated Fit：將所有的空閑塊，放入到一組鏈表中，每一個鏈表中只包含某一個大小范圍的空閑塊。例如最典型的dlmalloc算法。
• Buddy System： Segregate Fit算法的變種，具有更好的切割和合并效率，又很多變種，如Binary Buddies，Fibonacci Buddies， Weighted Buddies等。通常這類算法的內部碎片化問題比較嚴重。
• Indexed Fit：通過一些高階的數據結構來索引（Index）空閑的內存塊。例如基于平衡樹的“Best Fit”算法。
• Bitmap Fit： Indexed Fit算法的變種，通過一小段內存的位圖來標記對應的內存是空閑的還是使用中。

所以TLSF是一種通過一組鏈表來管理不同大小內存塊的內存分配算法。

為什么稱為Two Level？

基本的Segregated Fit算法是使用一組鏈表，每個鏈表只包含特定長度范圍來的空閑塊的方式來管理空閑塊的，這樣鏈表數組的長度可能會很大。如下圖，TLSF為了簡化查找定位過程，使用了兩層鏈表。第一層，將空閑內存塊的大小根據2的冪進行分類，如（16、32、64…）。第二層鏈表在第一層的基礎上，按照一定的間隔，線性分段。比如2的6次方這一段，分為4個小區間【64,80），【80,96），【96,112），【112，128）.每一級的鏈表都有一個bitmap用于標記對應的鏈表中是否有內存塊。比如第一級別bitmap的后4bit位0100，即2的6次方這個區間有空閑塊。對應的第二級鏈表的bitmap位0010及【80,96）這個區間有空閑塊，即下面的89 Byte。

給定一個內存塊的大小，確定在兩級鏈表中的位置（f,s）的算法如下：

其中2的SLI次冪表示第二級鏈表的區間大小，比如上圖中，區間大小為16，即2的4次方。這樣大小為460字節的空閑快在鏈表中的位置為f=8,s=12,如下圖：

TLSF適用環境

實時系統RTOS對內存分配算法有以下兩個要求：

• 內存分配/釋放的執行時間可預期，可接受的。由于RTOS對指令的執行時間有嚴格要求，所以常常采用靜態內存分配的方法，以獲得一個可以預期的執行時間。
• 內存分配算法的碎片化程度要低，這是由于RTOS往往長時間執行，碎片化程度高會導致內存分配失敗。

TLSF算法的目標運行系統是：

• 可信的執行環境，Trusted Environment，應用不會故意破壞數據或者竊取數據。
• 有限的物理內存。
• 沒有物理MMU來支持虛擬內存。

為了在這樣的環境下運行，TLSF算法使用了如下的策略：

• Immediate coalescing，立即合并，當內存塊被釋放后，立即與相鄰的空閑內存塊合并，以獲得一個更大的空閑塊，插入到鏈表的相應位置。這樣可以減少碎片化。
• Splitting threshold，分割閾值，最小可分配的內存塊大小為16字節，應用一般不會分配一些基本的數據結構，如int、char等。限定最小可分配大小為16字節，這樣可以在空閑的內存塊中存儲一些管理信息。
• Good-fit strategy，TLSF會盡可能的返回一個最小的、能夠滿足需求的內存塊。
• Same strategy for all block sizes，對于不同大小的內存請求，TLSF只有一個分配策略，實現相對簡單，執行時間可以預期。相應的dlmalloc根據所請求的內存大小不同，有多達4種內存分配策略。
• Memory is not cleaned-up，分配個應用的內存沒有被請0.

TLSF的特點在于：

• 可以預期的分配執行時間，無論對于多達的內存分配請求，TLSF可以在限定的時間內完成分配。
• 碎片化程度低。

未完待續

總結

以上是生活随笔為你收集整理的TLSF算法分析(内存分配算法详解)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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