Memory Management Algorithms and Implementation in C C++

392 Pages·2003·4.29 MB·English

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Memory Management
Algorithms and
Implementation in C/C++
by
Bill Blunden
Wordware Publishing, Inc.
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Blunden,Bill,1969-
Memorymanagement:algorithmsandimplementationinC/C++/by
BillBlunden.
p. cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN 1-55622-347-1
1. Memorymanagement(Computerscience) 2. Computeralgorithms.
3. C(Computerprogramlanguage) 4. C++(Computerprogram
language) I. Title.
QA76.9.M45.B5582002
005.4'35--dc21 2002012447
CIP
©2003,WordwarePublishing,Inc.
AllRightsReserved
2320LosRiosBoulevard
Plano,Texas75074
Nopartofthisbookmaybereproducedinanyformorby
anymeanswithoutpermissioninwritingfrom
WordwarePublishing,Inc.
PrintedintheUnitedStatesofAmerica
ISBN1-55622-347-1
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
0208
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ThisbookisdedicatedtoRob,Julie,andTheo.
AndalsotoDavidM.Lee
“Icametolearnphysics,andIgotJimmyStewart”
iii

Table of Contents
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Chapter 1 Memory Management Mechanisms. . . . . . . . . 1
MechanismVersusPolicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
MemoryHierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
AddressLinesandBuses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
IntelPentiumArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
RealModeOperation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ProtectedModeOperation. . . . . . . . . . . . . . . . 18
ProtectedModeSegmentation . . . . . . . . . . . . 19
ProtectedModePaging . . . . . . . . . . . . . . . . 26
PagingasProtection. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Addresses:Logical,Linear,andPhysical. . . . . . . 33
PageFramesandPages . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CaseStudy:SwitchingtoProtectedMode . . . . . . . 35
ClosingThoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Chapter 2 Memory Management Policies. . . . . . . . . . . 45
CaseStudy:MS-DOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
DOSSegmentationandPaging . . . . . . . . . . . . . 46
DOSMemoryMap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
MemoryUsage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Example:ASimpleVideoDriver . . . . . . . . . . . . 50
Example:UsurpingDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Jumpingthe640KBHurdle . . . . . . . . . . . . . . . 56
CaseStudy:MMURTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
BackgroundandDesignGoals. . . . . . . . . . . . . . 60
MMURTLandSegmentation . . . . . . . . . . . . . . 61
PagingVariations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
MMURTLandPaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
v
Table of Contents
MemoryAllocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
CaseStudy:Linux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
HistoryandMINIX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
DesignGoalsandFeatures. . . . . . . . . . . . . . . . 68
LinuxandSegmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
LinuxandPaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Three-LevelPaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
PageFaultHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
MemoryAllocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
MemoryUsage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Example:SiegeWarfare . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Example:SiegeWarfare,MoreTreachery . . . . . . . 87
CaseStudy:Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
HistoricalForces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
MemoryMapOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
WindowsandSegmentation . . . . . . . . . . . . . . . 99
SpecialWeaponsandTactics . . . . . . . . . . . . . 99
CrashingWindowswithaKeystroke . . . . . . . . 102
ReverseEngineeringtheGDT . . . . . . . . . . . 102
WindowsandPaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
LinearAddressSpaceTaxonomy . . . . . . . . . . 105
MusicalChairsforPages. . . . . . . . . . . . . . . 106
MemoryProtection . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
DemandPaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
MemoryAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
MemoryUsage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
TurningOffPaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Example:ThingsThatGoThunkintheNight . . . . 118
ClosingThoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
BooksandArticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
WebSites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Chapter 3 High-Level Services. . . . . . . . . . . . . . . . 127
Viewfrom10,000Feet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Compiler-BasedAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . 129
DataSection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
CodeSection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Stack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
ActivationRecords . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
vi
Table of Contents
StaticorDynamic? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
HeapAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
SystemCallInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
TheHeap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
ManualMemoryManagement. . . . . . . . . . . . 157
Example:CStandardLibraryCalls . . . . . . . . . 158
AutomaticMemoryManagement . . . . . . . . . . 160
Example:TheBDWConservativeGarbageCollector
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
ManualVersusAutomatic?. . . . . . . . . . . . . . 164
TheEvolutionofLanguages. . . . . . . . . . . . . . . . 168
CaseStudy:COBOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
CaseStudy:FORTRAN. . . . . . . . . . . . . . . . . 177
CaseStudy:Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
CaseStudy:C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
CaseStudy:Java. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
LanguageFeatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
VirtualMachineArchitecture . . . . . . . . . . . . 194
JavaMemoryManagement . . . . . . . . . . . . . 196
MemoryManagement:TheThree-layerCake. . . . . . 202
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Chapter 4 Manual Memory Management. . . . . . . . . . 207
Replacementsformalloc()andfree() . . . . . . . 207
SystemCallInterfaceandPortingIssues . . . . . . . . 208
KeepItSimple...Stupid! . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
MeasuringPerformance. . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
TheUltimateMeasure:Time . . . . . . . . . . . . . 212
ANSIandNativeTimeRoutines . . . . . . . . . . 213
TheDataDistribution:CreatingRandomVariates. 215
TestingMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Indexing:TheGeneralApproach . . . . . . . . . . . . . 224
malloc()Version1:BitmappedAllocation. . . . . . . 224
Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
tree.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
bitmap.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
memmgr.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
mallocV1.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
perform.cpp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
driver.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
vii
Table of Contents
Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Trade-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
malloc()Version2:SequentialFit. . . . . . . . . . . 248
Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
memmgr.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
mallocV2.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
driver.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Trade-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
malloc()Version3:SegregatedLists . . . . . . . . . 265
Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
memmgr.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
mallocV3.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Trade-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
PerformanceComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Chapter 5 Automatic Memory Management . . . . . . . . 281
GarbageCollectionTaxonomy . . . . . . . . . . . . . . 281
malloc()Version4:ReferenceCounting . . . . . . . 283
Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
driver.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
mallocV4.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
perform.cpp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
memmgr.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Trade-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
malloc()Version5:Mark-Sweep . . . . . . . . . . . 304
Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
driver.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
mallocV5.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
perform.cpp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
memmgr.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Trade-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
PerformanceComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
PotentialAdditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
viii