提问人：Blank 提问时间：10/13/2008 最后编辑：trincotBlank 更新时间：6/13/2021 访问量：5550
除了 malloc/free 之外，程序还需要操作系统提供其他任何东西吗？
Other than malloc/free does a program need the OS to provide anything else?
问：
我正在努力为我正在开发的操作系统设计内核（我实际上将其称为“核心”只是为了不同，但它基本上相同）。如果我无法启动和运行多任务处理、内存管理和其他基本功能，那么操作系统本身的细节就无关紧要了，所以我需要先处理一下。我有一些关于设计 malloc 例程的 questinos。
我认为 malloc（） 要么是内核本身的一部分（我倾向于这一点），要么是程序的一部分，但无论哪种方式，我都必须编写自己的 C 标准库实现，所以我可以编写一个 malloc。在这方面，我的问题实际上相当简单，C（或 C++）如何管理其堆？
在理论课上，我一直被教导的是，堆是一个不断扩展的内存块，从一个指定的地址开始，在很多意义上表现得像一个堆栈。这样，我知道在全局范围内声明的变量处于开头，并且更多的变量在各自的作用域中声明时被“推送”到堆上，超出范围的变量只是留在内存空间中，但该空间被标记为空闲，因此堆可以在需要时扩展更多。
我需要知道的是，C 到底是如何以这种方式处理动态扩展堆的？编译的 C 程序是否对 malloc 例程进行自己的调用并处理自己的堆，或者我是否需要为其提供自动扩展的空间？另外，C 程序如何知道堆从哪里开始？
哦，我知道同样的概念适用于其他语言，但我希望任何示例都是 C/C++，因为我对这种语言最熟悉。我也不想担心其他事情，比如堆栈，因为我认为我能够自己处理这样的事情。
所以我想我真正的问题是，除了 malloc/free（它自己处理获取和释放页面等）之外，程序是否需要操作系统提供其他任何东西？
谢谢！
编辑我更感兴趣的是 C 如何使用 malloc 与堆的关系，而不是 malloc 例程本身的实际工作。如果有帮助，我在 x86 上执行此操作，但 C 是交叉编译器，所以没关系。^_^
进一步编辑：我知道我可能会混淆术语。我被告知，“堆”是程序存储全局/局部变量等内容的地方。我习惯于在汇编编程中处理“堆栈”，我刚刚意识到我可能是这个意思。我的一些研究表明，“堆”更常用于指代程序为自己分配的总内存，或者操作系统提供的内存页总数（和顺序）。
那么，考虑到这一点，我该如何处理不断扩大的堆栈呢？（看来我的 C 理论课有点......有缺陷。
答：
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C. K. Young
10/13/2008
#1
通常，C 库会根据需要处理 的实现，从操作系统请求内存（通过匿名或在旧系统中，）。因此，您的内核方面应该通过其中一种方式来处理整个页面的分配。mallocmmapsbrk
然后，要以一种不会过多地碎片化可用内存的方式分配内存。不过，我对这方面的细节并不太了解;然而，竞技场这个词浮现在脑海中。如果我能找到参考资料，我会更新这篇文章。malloc
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Nils Pipenbrinck
10/13/2008
#2
有多种方法可以解决这个问题。
大多数情况下，C 程序有自己的 malloc/free 功能。那个适用于小物体。最初（一旦内存耗尽），内存管理器将要求操作系统提供更多内存。执行此操作的传统方法是 unix 变体上的 mmap 和 sbrk（Win32 上的 GlobalAlloc / LocalAlloc）。
我建议你从内存提供者（例如操作系统）的角度来看一下 Doug Lea 内存分配器（谷歌：dlmalloc）。该分配器是一流的，并且具有适用于所有主要操作系统的钩子。如果你想知道高性能分配器对操作系统的期望，这是你的首选。
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C. K. Young
10/13/2008
看看dlmalloc的好建议，它绝对是工业实力。:-) +1
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C. K. Young
10/13/2008
不用担心，我实际上按照您的建议从 Google 搜索 dlmalloc 获得了链接。：-P
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Adam Rosenfield
10/13/2008
#3
malloc通常在用户空间的 C 运行时中实现，依赖于特定的操作系统系统调用来映射虚拟内存页。and 的工作是管理这些大小固定（通常为 4 KB，但有时更大）的内存页，并将它们切成应用程序可以使用的碎片。mallocfree
例如，参见 GNU libc 实现。
对于更简单的实现，请查看去年的 MIT 操作系统类。具体而言，请参阅最终的实验室讲义，并查看 。此代码使用类中开发的操作系统 JOS。它的工作方式是读取页表（由操作系统提供只读），查找未映射的虚拟地址范围。然后，它使用 and 系统调用将页面映射和取消映射到当前进程中。lib/malloc.csys_page_allocsys_page_unmap
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user10892
10/13/2008
#4
您是否混淆了堆和堆栈？
我之所以问，是因为你提到了“一个不断扩展的内存”，在声明变量时，在堆上确定和推送变量的范围。这听起来确实像是在谈论堆栈。
在最常见的 C 实现中，自动变量的声明，例如
int i;
通常会导致 I 被分配到堆栈上。一般来说，除非你显式调用它，或者你所做的某个库调用调用它，否则 malloc 不会参与其中。
我建议阅读 Peter Van Der Linden 的“Expert C Programming”，了解 C 程序通常如何使用堆栈和堆的背景知识。
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Blank
10/13/2008
我可能就是这样做的。那么，每个程序都有自己的堆栈来存储全局/局部变量？我总是被告知这被称为堆，如果我还记得的话，这也用于将变量传递给函数等。那我会澄清更多。
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Jonathan Leffler
10/13/2008
#5
必读：Knuth - 计算机编程艺术，第 1 卷，第 2 章，第 2.5 节。否则，您可以阅读 Kernighan & Ritchie 的“The C Programming Language”来了解实现;或者，您可以阅读 Plauger 的“标准 C 库”来查看另一个实现。
我相信，你需要在核心内部做的事情会与核心外部的程序所看到的有所不同。特别是，程序的核心内存分配将处理虚拟内存等，而代码外部的程序只看到内核提供的结果。
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zvrba
10/13/2008
#6
阅读有关虚拟内存管理（分页）的信息。它高度特定于 CPU，每个操作系统都专门为每个受支持的 CPU 实现 VM 管理。如果您正在为 x86/amd64 编写操作系统，请阅读其各自的手册。
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RandomNickName42
7/14/2009
#7
危险危险！！如果你甚至考虑尝试内核开发，你应该非常清楚你的资源成本和它们相对有限的可用性......
关于递归的一件事是，它非常非常昂贵（至少在内核领域），你不会看到许多函数被写成简单地继续不受限制，否则你的内核会恐慌。
为了强调我在这里的观点，（在 stackoverflow.com 呵呵），请查看 NT 调试博客中关于内核堆栈溢出的这篇文章，具体来说，
·在基于 x86 的平台上， 内核模式堆栈为 12K。
·在基于 x64 的平台上， 内核模式堆栈为 24K。（基于 x64 平台包括具有 使用 AMD64 的处理器 架构和处理器使用 Intel EM64T 架构）。
·在基于 Itanium 的平台上， 内核模式堆栈为 32K，后备存储为 32K。
这真的，不是很多;
通常的嫌疑人
1.自由使用堆栈。
2.递归调用函数。
如果你稍微阅读一下博客，你就会发现内核开发是多么困难，有一组相当独特的问题。你的理论课没有错，很简单，很简单。;)
从理论上讲，>内核开发与上下文切换一样重要（也许在混合中保存一些虚拟机管理程序交互！
无论如何，永远不要假设、验证和测试你的期望。
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