TLSF 内存分配器

TLSF (Two-Level Segregated Fit) 是一个O(1)时间复杂度的动态内存分配器，特别适合实时系统。本文将深入分析TLSF的实现原理和源码细节。

1. 基本概念

1.1 关键特性

• O(1)时间复杂度的内存分配和释放

• 低内存碎片化

• 确定性行为，适合实时系统

• 支持多内存池管理

• 最小内存对齐支持

1.2 核心数据结构

块头(Block Header)

typedef struct block_header_t {struct block_header_t* prev_phys_block;  // 指向物理相邻的前一个块size_t size;                            // 块大小,包含控制位struct block_header_t* next_free;       // 空闲块链表的下一个节点struct block_header_t* prev_free;       // 空闲块链表的前一个节点
} block_header_t;

块头中size字段的低两位用作标记位:

• bit 0: 当前块是否空闲

• bit 1: 前一个块是否空闲

TLSF控制结构

typedef struct control_t {block_header_t block_null;               // 空闲链表的哨兵节点unsigned int fl_bitmap;                  // 第一级位图unsigned int sl_bitmap[FL_INDEX_COUNT];  // 第二级位图block_header_t* blocks[FL_INDEX_COUNT][SL_INDEX_COUNT]; // 空闲块数组
} control_t;

2. 内存布局

2.1 初始化后的内存布局举例

当调用 mm_initialize 初始化 TLSF 时,传入参数 heapstart=0x10000, heapsize=0x10000:

0x10000 +------------------------+| struct mm_heap_s       | <-- heap控制结构(116字节)| (sizeof = 116 bytes)   |     
0x10074 +------------------------+| tlsf control block     | <-- tlsf内部控制块 | (tlsf_size() bytes)    |     (包含空闲块链表、位图等)
0x10474 +------------------------+| first block header    | <-- 第一个block的header| (8 bytes)            |     包含:
0x1047C +------------------------+     - 块大小(含header)     | first block          | <--  - 使用/空闲标志位 | user data area       |      低2位用作标记位:|                      |      bit 0: 当前块是否空闲+------------------------+     bit 1: 前一个块是否空闲| next block header     || (8 bytes)             |+------------------------+| next block           || user data area       ||                      |+------------------------+|         ...          |
0x20000 +------------------------+

关键点说明:

mm_heap_s 结构(0x10000-0x10074):

• 大小: 116 字节

• 包含:

TLSF控制块(0x10074-0x10474):

• 大小: tlsf_size() 返回值

• 用于TLSF算法内部管理

• 包含空闲块链表、位图等数据结构

Block Header(8字节):

• 每个内存块的头部信息

• 只包含 size_t 类型的 size 字段(8字节)

• size字段低2位用作标记位

• prev_phys_block 字段存在前一个块的尾部

内存对齐:

• 所有分配按 ALIGN_SIZE 对齐(32位系统4字节,64位8字节)

• 块大小也按 ALIGN_SIZE 对齐

• 确保访问效率

2.2 内存初始化过程

mm_initialize函数流程:

heap = (FAR struct mm_heap_s *)heapstart;  // 预留heap控制结构
heapstart += sizeof(struct mm_heap_s);
heapsize -= sizeof(struct mm_heap_s);heap->mm_tlsf = tlsf_create(heapstart);    // 创建TLSF控制块
heapstart += tlsf_size();
heapsize -= tlsf_size();mm_addregion(heap, heapstart, heapsize);   // 添加可用内存区域

tlsf_add_pool初始化内存池:

• 在内存起始处创建第一个block header

• header的size字段包含整个内存区域大小

• 将block加入到空闲链表中

block header的创建:

block = offset_to_block(mem, -(tlsfptr_t)block_header_overhead);
// block_header_overhead = sizeof(size_t) // 8字节

3. 关键算法实现

3.1 内存分配大小计算

TLSF在分配内存时的大小计算涉及多个方面:

实际分配大小计算:

// 用户请求分配size字节时:
#if CONFIG_MM_BACKTRACE >= 0// 需要加上backtrace结构体大小actual_size = size + sizeof(struct memdump_backtrace_s);
#elseactual_size = size;
#endif// 分配后用户实际可用大小:
user_size = mm_malloc_size(heap, ptr);

Block大小对齐:

• 所有分配按 ALIGN_SIZE 对齐(32位系统4字节,64位8字节)

• Block header(8字节)也需要对齐

• 分配大小向上取整到对齐大小

Block header大小:

// 每个block只需要一个size字段(8字节)
block_header_overhead = sizeof(size_t); // 8字节// size字段的低2位用作标记位:
- bit 0: 当前块是否空闲 
- bit 1: 前一个块是否空闲

最小分配大小:

// 通过 tlsf_block_size_min() 获取
min_size = MAX(sizeof(free_list_t), ALIGN_SIZE);

分配流程中的大小计算:

void* mm_malloc(size_t size) {// 1. 确保最小分配大小if (size < 1) size = 1;// 2. 加上管理开销actual_size = size + overhead;// 3. 对齐大小 aligned_size = ALIGN_SIZE_UP(actual_size);// 4. 分配内存块block = tlsf_malloc(aligned_size);// 5. 返回用户可用内存return block;
}

Block合并时的大小计算:

// 向前合并
total_size = prev_size + curr_size;// 向后合并  
total_size = curr_size + next_size;// 双向合并
total_size = prev_size + curr_size + next_size;

特殊情况:

• 延迟释放的内存块保持原大小不变

• 重新分配时可能需要分配新块

• 内存池扩展时需要调整大小

大小限制:

// 最大块大小
max_size = tlsf_block_size_max();// 最小块大小 
min_size = tlsf_block_size_min();// 对齐大小
align_size = tlsf_align_size();

实际分配举例:

用户申请: malloc(100)实际分配:
[block header:8字节] [用户数据:100字节] [backtrace:8字节]
总大小 = 116字节,向上对齐到8字节边界 = 120字节用户可用: 100字节
块大小: 120字节

关键点说明:

• Block header只占8字节是TLSF的一个优化

• 通过位操作复用size字段的低位

• 对齐保证访问效率

• Backtrace结构根据配置添加

• 分配大小必须在最小和最大值之间

TLSF使用两级位图来快速查找合适的空闲块:

第一级(FL):

• 根据大小范围划分块

• 使用位图快速定位范围

• FL_INDEX_MAX 定义最大支持的块大小

第二级(SL):

• 在第一级范围内细分

• SL_INDEX_COUNT 定义每个范围内的细分数量

• 也使用位图实现O(1)查找

3.2 映射算法

size到fl/sl索引的映射:

static void mapping_insert(size_t size, int* fli, int* sli) {int fl, sl;if (size < SMALL_BLOCK_SIZE) {// 小块存储在第一个链表fl = 0;sl = size / (SMALL_BLOCK_SIZE / SL_INDEX_COUNT);} else {fl = tlsf_fls_sizet(size);sl = (size >> (fl - SL_INDEX_COUNT_LOG2)) ^ (1 << SL_INDEX_COUNT_LOG2);fl -= (FL_INDEX_SHIFT - 1);}*fli = fl;*sli = sl;
}

3.3 分配过程

1. 根据请求大小计算fl/sl索引

2. 在对应位置查找空闲块

3. 如果没有合适的块,向上搜索更大的块

4. 找到后分割块(如果太大)

5. 更新位图和链表

关键代码:

static block_header_t* search_suitable_block(control_t* control, int* fli, int* sli) {int fl = *fli;int sl = *sli;// 先在指定fl/sl位置查找unsigned int sl_map = control->sl_bitmap[fl] & (~0U << sl);if (!sl_map) {// 当前级别没有合适的块,查找更大的块const unsigned int fl_map = control->fl_bitmap & (~0U << (fl + 1));if (!fl_map) {return 0;}fl = tlsf_ffs(fl_map);*fli = fl;sl_map = control->sl_bitmap[fl];}sl = tlsf_ffs(sl_map);*sli = sl;return control->blocks[fl][sl];
}

3.4 释放过程

1. 设置块为空闲

2. 尝试与相邻的空闲块合并

3. 将合并后的块插入适当的空闲链表

4. 更新位图

3.5 合并算法

向前合并:

static block_header_t* block_merge_prev(control_t* control, block_header_t* block) {if (block_is_prev_free(block)) {block_header_t* prev = block_prev(block);block_remove(control, prev);block = block_absorb(prev, block);}return block;
}

向后合并:

static block_header_t* block_merge_next(control_t* control, block_header_t* block) {block_header_t* next = block_next(block);if (!block_is_last(block) && block_is_free(next)) {block_remove(control, next);block = block_absorb(block, next);}return block;
}

4. 内存管理优化

4.1 延迟释放机制

• 通过delay list延迟释放内存

• 避免频繁的合并操作

• 提高实时性能

4.2 内存池扩展

支持动态扩展内存池:

TLSF_API pool_t tlsf_extend_pool(tlsf_t tlsf, void* mem, size_t bytes, size_t incr);

4.3 碎片处理

• 分割时保留最小块大小

• 优先使用最适合大小的块

• 支持块合并减少碎片

5. 调试功能

5.1 内存检查

TLSF_API int tlsf_check(tlsf_t tlsf);
TLSF_API int tlsf_check_pool(pool_t pool);

5.2 内存遍历

typedef void (*tlsf_walker)(void* ptr, size_t size, int used, void* user);
TLSF_API void tlsf_walk_pool(pool_t pool, tlsf_walker walker, void* user);

6. 使用示例

6.1 基本使用

// 创建TLSF实例
void* mem = malloc(1024 * 1024); // 1MB内存
tlsf_t tlsf = tlsf_create(mem);// 分配内存
void* ptr = tlsf_malloc(tlsf, 512);// 释放内存
tlsf_free(tlsf, ptr);// 销毁TLSF实例
tlsf_destroy(tlsf);

6.2 内存池管理

// 添加新内存池
void* pool_mem = malloc(1024 * 1024);
pool_t pool = tlsf_add_pool(tlsf, pool_mem, 1024 * 1024);// 扩展内存池
void* new_mem = malloc(512 * 1024);
tlsf_extend_pool(tlsf, pool, new_mem, 512 * 1024);

7. 性能考虑

7.1 时间复杂度

• 分配: O(1)

• 释放: O(1)

• 重新分配: O(1)

• 合并: O(1)

7.2 空间开销

• 控制结构大小固定

• 每个块16字节开销

• 支持最小块大小限制

7.3 实时性保证

• 操作时间确定

• 无递归调用

• 无循环搜索

8. 最佳实践

选择合适的配置参数

• FL_INDEX_MAX

• SL_INDEX_COUNT

• ALIGN_SIZE

内存池管理

• 合理规划内存池大小

• 适时扩展内存池

• 及时释放不用的内存池

性能优化

• 使用内存对齐

• 合理使用延迟释放

• 避免频繁的小内存分配

调试支持

• 定期检查内存完整性

• 使用内存遍历功能跟踪分配

• 合理设置调试选项

9. 总结

TLSF是一个高效的实时内存分配器，通过巧妙的两级位图设计实现了O(1)的操作时间复杂度。其关键特点:

内存布局清晰:

• 控制结构固定大小

• 每个block只需8字节header

• 通过位图快速管理空闲块

内存管理高效:

• O(1)时间复杂度

• 支持内存对齐

• 低内存碎片

• 适合实时系统

功能完备:

• 支持多内存池

• 延迟释放机制

• 调试功能

• 内存追踪

理解其实现原理对于系统性能优化和内存管理都有重要帮助。