CSAPP Malloc lab

CSAPP Malloc Lab

目标

实现一个简单的动态存储分配器。

评分标准

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空间利用率应当减少internal 和 external fragmentation.

memory utilization

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memory utilization = payload / heap size

fragmentation

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internal fragmentation

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external fragmentation

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throughput

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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。
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dynamic memory allocator

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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。
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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

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explicit list 和 seglist 还需要考虑

项目文件

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主要是mm.c文件

介绍项目文件

memlib.c

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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

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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

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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

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size = payload + header + footer

free list 函数操作

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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
}

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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

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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。

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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)

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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.

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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  Kops
 0       yes   98%    5694  0.013128   434
 1       yes   94%    5848  0.013082   447
 2       yes   98%    6648  0.012994   512
 3       yes   99%    5380  0.013417   401
 4       yes   66%   14400  0.013624  1057
 5       yes   89%    4800  0.014118   340
 6       yes   85%    4800  0.013772   349
 7       yes   55%   12000  0.016546   725
 8       yes   51%   24000  0.015425  1556
 9       yes   48%   14401  0.030041   479
10       yes   45%   14401  0.015555   926
Total          75%  112372  0.171701   654

Perf index = 45 (util) + 40 (thru) = 85/100