操作系统实现：堆的功能需求

在实现具体的堆功能前，需要详细考虑如何定义堆的功能，即软件工程中的所谓“需求分析”。这个过程是十分关键的，在这个过程中，需要把待实现的系统（或一个简单的功能模块）的具体功能，进行完整、详尽的定义和描述，且一旦固定（比如，通过了技术评审），就不再改变。这样在该系统的实现过程中，可避免频繁修改功能需求，导致大量反复工作。在堆的实现中，本书充分考虑用户程序的方便，并向标准的C运行库靠拢，这样定义堆功能：

（1）堆是基于线程实现的，即一个堆只属于一个线程，但一个线程可以具备多个堆。

（2）为了管理和实现上的方便，采用一个统一的接口——堆管理器（HeapManager），来管理系统中所有的堆。

（3）堆是一个内存池，根据用户需要，从系统中“批发”申请内存，并“零售”给用户。

（4）除了堆的创建、销毁接口之外，堆管理器还应该提供“内存分配”和“内存释放”两个接口，供应用程序调用。

（5）应用程序调用“内存分配”和“内存释放”函数的时候，所操作的堆对象，只能是当前线程的堆对象。

（6）其中，“内存分配”和“内存释放”接口函数所需要的参数，能够与标准C运行库函数malloc和free的参数相互映射，这样可通过函数封装或宏定义的方式，用堆的“内存释放”和“内存分配”函数实现free和malloc函数。

（7）在存在多个堆的情况下，应该有一个缺省堆，来对应malloc和free函数，这样这两个函数可以从缺省堆中分配内存。(www.xing528.com)

（8）除非出现系统内存不足的情况，否则堆功能函数“内存申请”和“内存释放”函数不能失败。

其中，上述第一条的含义在于，一个线程可能有多个堆对象，而一个堆对象只能属于一个线程。这样的实现，可以具有更大的灵活性，一个线程（或用户应用程序）可能是由若干功能模块组成的，这些功能模块可能互不交叉，比如一个文字处理系统的编辑模块和打印模块等，这样为了实现上的一致性和清晰性，每个功能模块可以单独创建一个自己的内存堆，在申请内存的时候，可从自己的内存堆中申请。当然，这仅仅是一种可选的实现，一个线程的不同模块，完全可以共用一个堆，完全可以调用malloc和free函数（这些函数都是作用在线程的缺省堆上的）来实现内存管理。

在上述第三条功能定义中，堆作为一个内存池，在初始化（创建过程中）的时候，就需要事先从系统中申请一部分内存（如16KB），作为一个内存池，一旦用户有内存分配需求，就从该内存池中进行分配。若内存池中的内存分配完毕，则需要通过调用VirtualAlloc函数，从系统中再次申请内存，并加入内存池中。若用户释放内存，则释放的内存会被重新加入内存池，在积累到一定程度的时候，堆对象会对内存池进行清理，把暂时用不到的大块内存返回系统。这样做的一个好处是，可以实现系统内存的按需分配，不至于出现大规模的内存浪费现象。

上述第五条定义中，应用程序只能操作自己的堆，而不能从其他应用程序（线程）的堆中申请内存。这样的实现是符合逻辑的，且实现起来相对简便，无需考虑多线程之间的同步。另外在中断处理程序中，也不能调用堆功能函数从堆中分配内存，而应该调用KMemAlloc或VirtualAlloc来分配内存。

malloc和free函数，是标准C运行库提供的接口函数，实现这两个函数，对于代码的移植（把其他操作系统上的应用程序代码移植到Hello China上）非常有帮助。而且一般的程序员都十分熟悉这两个接口函数，鉴于此，在Hello China当前的堆实现中，通过引入一个默认堆（缺省堆）的对象，通过标准的堆操作接口，实现了这两个C运行库函数。

在上述第八条功能描述中，实际上是提出了一种“按需分配”的实现方式，即开始的时候，堆对象先从系统中申请少量内存，作为内存池，等该内存池分配完毕，或用户申请的内存尺寸大于这个内存池的时候，堆对象再调用VirtualAlloc函数，从系统空间中申请额外内存池。在这种实现方式下，堆管理器可以根据需要来申请系统内存池，从而做到尽可能节约系统内存。堆对象也可以被认为是一个内存申请代理机构和缓冲机构，对于数量小的内存块申请，堆直接从本地内存池中分配，而对于一些大块内存的申请，堆管理器也可以作为一个中转代理，从系统中申请。当然，建议应用程序开发者，在需要数量比较大的内存的时候（比如，超过页面尺寸4KB大小），直接调用VirtualAlloc函数申请，因为通过堆管理器申请，堆管理器也可能调用VirtualAlloc，这样经过了堆的中转，会导致性能的少量下降。当然，对于小块的内存申请，若堆的内存池可以满足要求，则不会存在这个问题。