具有恒定时间操作的智能内存管理？

让我们考虑一个内存段（可以在需要时增大或缩小文件的大小，就像文件一样），您可以在该内存段上执行两个涉及固定大小块的基本内存分配操作：

• 分配一个块
• 释放先前已分配的不再使用的块。

同样，作为一项要求，不允许内存管理系统在当前分配的块之间移动：它们的索引/地址必须保持不变。

最幼稚的内存管理算法将增加一个全局计数器（初始值为0），并将其新值用作下一个分配的地址。但是，当只剩下几个分配的块时，这绝不允许缩短段。

更好的方法：保留计数器，但维护一个释放块列表（可以在固定时间内完成），并在不为空的情况下将其用作新分配的源。

接下来是什么？在保持恒定的时间分配和解除分配约束的情况下，有什么办法可以使内存段尽可能地短而可以完成？

（目标可能是使用最小的地址跟踪当前未分配的块，但是在恒定时间内似乎不可行……）

对于固定大小的块，您所描述的是一个空闲列表。这是一种非常常见的技术，但有以下不同之处：空闲块列表存储在空闲块本身中。在C代码中，它看起来像这样：

static void *alloc_ptr = START_OF_BIG_SEGMENT;
static void *free_list_head = NULL;

static void *
allocate(void)
{
    void *x;

    if (free_list_head == NULL) {
        x = alloc_ptr;
        alloc_ptr = (char *)alloc_ptr + SIZE_OF_BLOCK;
    } else {
        x = free_list_head;
        free_list_head = *(void **)free_list_head;
    }
    return x;
}

static void
release(void *x)
{
    *(void **)x = free_list_head;
    free_list_head = x;
}

只要所有分配的块具有相同的大小，并且该大小是指针大小的倍数，此方法就可以很好地保持对齐。分配和释放是固定时间的（即与内存访问和基本添加相同的恒定时间），在现代计算机中，内存访问可能涉及高速缓存未命中甚至虚拟内存，因此涉及磁盘访问，因此“恒定时间”可能会很大）。没有内存开销（没有额外的每个块指针或类似的东西；分配的块是连续的）。同样，仅在一次必须分配许多块的情况下，分配指针才会到达给定点：由于分配倾向于使用空闲列表，因此仅当当前指针下方的空间已满时，分配指针才会增加。从这个意义上讲 技术。

减少释放后的分配指针可能会更加复杂，因为只有遵循空闲列表（以不可预测的顺序遍历它们）才能可靠地标识空闲块。如果在可能的情况下减小大片段的大小对您很重要，那么您可能希望使用另一种技术，但会增加开销：在任何两个已分配的块之间放置一个“孔”。这些孔与一个双链表按内存顺序链接在一起。您需要孔的数据格式，以便可以通过知道孔的结束位置来确定孔的起始地址，如果知道孔在内存中的起始位置，还可以找到孔的大小。然后，当释放一个块时，您将创建一个孔，该孔将与下一个孔和上一个孔合并，从而重建（仍在恒定时间内）所有孔的有序列表。那么，每个分配的块的开销大约是两个指针大小的字。但是，以该价格，您可以可靠地检测到“最终孔”的发生，即减小大段尺寸的机会。

有许多可能的变化。很好的介绍性论文是《动态存储分配： Wilson 等人的调查和重要评论》。

这个答案是关于通用内存管理技术的。我错过了这个问题，询问所有块具有相同大小（并对齐）的情况。

您应该知道的基本策略是“最适合”，“最不适合”，“最适合”和伙伴系统。我曾经为我所教的课程写过一个简短的摘要，希望它是可读的。我指的是一项相当详尽的调查。

在实践中，您将看到这些基本策略的各种修改。但是这些都不是真正恒定的时间！我认为在使用有限数量的内存的最坏情况下这是不可能的。

您可能需要查看摊销分析，尤其是动态数组。即使实际上并不是每个步骤都在一定的时间内真正完成操作，但从长远来看，情况确实如此。