CN112596908A - 一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统 - Google Patents

一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统，本发明通过完全二叉树对内存空间进行管理，分别在申请内存空间和释放内存空间时，对父节点所存放的可分配内存单元的数量进行设置，并计算地址偏移以及当前定位，实现对快速完成内存空间的申请和释放。本发明由于采用完全二叉树管理内存，较一般的链表式内存管理在大内存申请和释放的程序有明显的速度优势，且算法简单、计算方便，时间复杂度为O(lgn)，适用于经常申请释放较大内存的应用程序。

Description

一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统
技术领域
本发明涉及内存管理技术领域，特别是一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统。
背景技术
服务器服务端进程通常会有较多的业务功能，往往会大量频繁的申请释放操作系统内存，进程频繁的申请释放内存会浪费巨大的时间，因为操作系统分配内存给应用层相当的耗费时间。为了减少耗时，一般做法为应用层进程启动时申请一块内存，自身进行管理，从而减少进程申请内存时造成操作系统复杂的管理，减少时间延迟。
而现有技术中，大都采用链表式进行内存管理。链表由一个个节点组成，链表中的每一个节点的数据类型为结构体类型，节点有两个成员：数据域和指针域。数据域存放数据成员，指针域指向下一个节点地址。链表按此结构对各节点的访问需从链表的头找起，后续节点的地址由当前节点给出，因此不可避免的会存在内存处理效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统，旨在解决现有技术中内存处理效率低下的问题，实现快速完成内存空间的申请和释放，降低时间复杂度，提高效率。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于完全二叉树的内存管理方法，所述方法包括以下操作：
通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
优选地，所述完全二叉树节点为2n-1，其中n为所有内存单元的数量。
优选地，所述地址偏移的计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
其中，offset为地址偏移，index为节点索引，size为申请内存空间的大小，n为所有内存单元的数量；
当前内存单元定位的计算公式为：
index＝offset+n-1。
优选地，所述应用程序申请内存空间时的回溯规则为：
设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。
优选地，所述应用程序释放内存空间时的回溯规则为：
如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。
本发明还提供了一种基于完全二叉树的内存管理系统，所述系统包括：
二叉树初始化模块，用于通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
内存申请模块，用于当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
内存释放模块，用于当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
优选地，所述地址偏移的计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
其中，offset为地址偏移，index为节点索引，size为申请内存空间的大小，n为所有内存单元的数量；
当前内存单元定位的计算公式为：
index＝offset+n-1。
优选地，所述应用程序申请内存空间时的回溯规则为：
设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。
优选地，所述应用程序释放内存空间时的回溯规则为：
如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。
本发明还提供了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于完全二叉树的内存管理方法。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过完全二叉树对内存空间进行管理，分别在申请内存空间和释放内存空间时，对父节点所存放的可分配内存单元的数量进行设置，并计算地址偏移以及当前定位，实现对快速完成内存空间的申请和释放。本发明由于采用完全二叉树管理内存，较一般的链表式内存管理在大内存申请和释放的程序有明显的速度优势，且算法简单、计算方便，时间复杂度为O(lgn)，适用于经常申请释放较大内存的应用程序。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于完全二叉树的内存管理方法流程图；
图2为本发明实施例中所提供的完全二叉树结构示意图；
图3为本发明实施例中所提供的申请内存空间为1时的二叉树结构示意图；
图4为本发明实施例中所提供的申请内存空间为2时的二叉树结构示意图；
图5为本发明实施例中所提供的申请内存空间为4时的二叉树结构示意图；
图6为本发明实施例中所提供的申请内存空间为1时的二叉树结构示意图；
图7为本发明实施例中所提供的释放内存空间为2时的二叉树结构示意图；
图8为本发明实施例中所提供的一种基于完全二叉树的内存管理系统框图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于完全二叉树的内存管理方法及系统进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于完全二叉树的内存管理方法，所述方法包括以下操作：
通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
本发明实施例中内存池整体采用完全二叉树结构来管理内存的分配和释放。
用户在进程启动初始化时，从操作系统提前申请分配一块内存，内存大小一定为2的幂次方大小。对内存进行二叉树初始化，直到所有节点初始化结束，此时二叉树节点个数为2n-1个，n为内存单元的数量。如图2所示，叶子节点中存放内存单元，所有节点均用最大可分配内存单元数量以及节点索引进行标识。例如，图中根节点最大可分配内存单元数量是8个，索引为0；[1,7]节点最大可分配内存单元数量是1个，索引为7。
当应用进程申请内存空间时，对二叉树数据结构进行深度优先遍历，直至搜索到某个节点的大小小于2倍的申请空间且同时又大于等于申请空间的大小。如图3所示，当申请size大小为1的内存单元时，通过深度优先遍历，搜索到叶子节点[1,7]，将该节点的内存单元分配给应用进程。在分配完成后计算地址的偏移offset，其计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
根据地址偏移定位到节点索引：
index＝offset+n-1
对于分配内存单元完成后的叶子节点的父节点进行回溯，将父节点的信息进行相应的改变，即父节点最大可分配内存单元的数量，回溯的规则为设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。例如图3中，在分配完叶子节点[1,7]，其本身的最大可分配内存单元的最大值为0，父节点[2,3]最大可分配内存单元的最大值为1，因此变为[1,3]；由于分配内存大小一定为2的幂次方大小，父节点[4,1]最大可分配内存单元的最大值为2，因此变为[2,1]。因此通过回溯，可将每个节点的内存信息进行更新。
如图4所示，当申请内存size大小为2的内存单元时，通过深度优先遍历，搜索到节点[2,4]，该节点最大可分配内存单元的数量为2，停止遍历。该节点的index为4，计算地址偏移offset为2，偏移到节点[1,9]，并回溯父节点，设置父节点的内存信息。图5为申请内存size大小为4时的内存单元分配示意图，图6为申请内存size大小为1时的内存单元分配示意图。
当应用进程结束后需进行内存释放，将地址的偏移转为二叉树的节点，从节点回溯，如果直到根节点没有发现需要释放的节点，则认为doublefree，否则认为成功。在释放内存空间时，对父节点进行回溯，规则为：如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。根据需要释放的节点的索引计算地址偏移：
offset＝(index+1)*size-n
并根据地址偏移定位到节点索引：
index＝offset+n-1
如图7所示，在释放节点[0,4]时，该节点变为[2,4]，而其父节点为[0,1]，则设置父节点的大小为左右子节点的较大者值，即父节点[0,1]变为[2,1]，而[2,1]的父节点[0,0]则设置为[2,0]。
本发明实施例通过完全二叉树对内存空间进行管理，分别在申请内存空间和释放内存空间时，对父节点所存放的可分配内存单元的数量进行设置，并计算地址偏移以及当前定位，实现对快速完成内存空间的申请和释放。本发明由于采用完全二叉树管理内存，较一般的链表式内存管理在大内存申请和释放的程序有明显的速度优势，且算法简单、计算方便，时间复杂度为O(lgn)，适用于经常申请释放较大内存的应用程序。
如图8所示，本发明实施例还公开了一种基于完全二叉树的内存管理系统，所述系统包括：
二叉树初始化模块，用于通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
内存申请模块，用于当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
内存释放模块，用于当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
用户在进程启动初始化时，从操作系统提前申请分配一块内存，内存大小一定为2的幂次方大小。对内存进行二叉树初始化，直到所有节点初始化结束，此时二叉树节点个数为2n-1个，n为内存单元的数量。叶子节点中存放内存单元，所有节点均用最大可分配内存单元数量以及节点索引进行标识。
当应用进程申请内存空间时，对二叉树数据结构进行深度优先遍历，直至搜索到某个节点的大小小于2倍的申请空间且同时又大于等于申请空间的大小。在分配完成后计算地址的偏移offset，其计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
根据地址偏移定位到节点索引：
index＝offset+n-1
对于分配内存单元完成后的叶子节点的父节点进行回溯，将父节点的信息进行相应的改变，即父节点最大可分配内存单元的数量，回溯的规则为设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。通过回溯，可将每个节点的内存信息进行更新。
当应用进程结束后需进行内存释放，将地址的偏移转为二叉树的节点，从节点回溯，如果直到根节点没有发现需要释放的节点，则认为double free，否则认为成功。在释放内存空间时，对父节点进行回溯，规则为：如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。根据需要释放的节点的索引计算地址偏移：
offset＝(index+1)*size-n
并根据地址偏移定位到节点索引：
index＝offset+n-1。
本发明实施例还公开了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于完全二叉树的内存管理方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于完全二叉树的内存管理方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于完全二叉树的内存管理方法，其特征在于，所述完全二叉树节点为2n-1，其中n为所有内存单元的数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于完全二叉树的内存管理方法，其特征在于，所述地址偏移的计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
其中，offset为地址偏移，index为节点索引，size为申请内存空间的大小，n为所有内存单元的数量；
当前内存单元定位的计算公式为：
index＝offset+n-1。
4.根据权利要求1所述的一种基于完全二叉树的内存管理方法，其特征在于，所述应用程序申请内存空间时的回溯规则为：
设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。
5.根据权利要求1所述的一种基于完全二叉树的内存管理方法，其特征在于，所述应用程序释放内存空间时的回溯规则为：
如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。
6.一种基于完全二叉树的内存管理系统，其特征在于，所述系统包括：
二叉树初始化模块，用于通过完全二叉树对操作系统申请的内存进行初始化，初始化完成后，叶子节点数量为所分配内存单元的数量，每个节点存放最大可分配内存单元数量以及节点索引信息；
内存申请模块，用于当应用程序申请内存空间时，对二叉树节点进行深度优先遍历，当搜索到节点的可分配内存单元的数量小于2倍的申请空间且大于等于申请空间时，停止遍历，将该节点下的内存单元分配给应用进程，计算地址偏移以及当前内存单元定位，并对父节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息；
内存释放模块，用于当应用程序释放内存空间时，根据所需释放节点将地址偏移转为二叉树节点，从所需释放节点进行回溯，根据回溯规则设置父节点可分配内存单元的数量信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于完全二叉树的内存管理系统，其特征在于，所述地址偏移的计算公式为：
offset＝(index+1)*size-n
其中，offset为地址偏移，index为节点索引，size为申请内存空间的大小，n为所有内存单元的数量；
当前内存单元定位的计算公式为：
index＝offset+n-1。
8.根据权利要求6所述的一种基于完全二叉树的内存管理系统，其特征在于，所述应用程序申请内存空间时的回溯规则为：
设置父节点的大小为左右子节点可分配内存单元的最大值。
9.根据权利要求6所述的一种基于完全二叉树的内存管理系统，其特征在于，所述应用程序释放内存空间时的回溯规则为：
如果父节点得到大小等于本节点的大小，则设置父节点为2倍的子节点大小，否则设置为左右子节点较大者的值。
10.一种可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-5任意一项所述的基于完全二叉树的内存管理方法。
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