从零开始游戏开发——1.2 内存管理
作者：互联网
软件项目中最为重要的内容之一就是内存管理，游戏开发尤为如此。一款游戏的运行需要占用大量内存资源，特别是移动设备在硬件受限的情况下，如果不能管理好内存，系统很快就会因为内存不足导致程序崩溃。内存管理中最为关心的两类问题是内存泄露和内存碎片问题。使用C++进行开发时，我们new出一个对象后很容易忘记释放这块内存而造成内存泄漏，即使我们记得每次都能释放到内存，在游戏中大量对象需要不断创建和销毁时，内存中会造成很多内存碎片，如下图中的灰色和红色部分是已经使用的内存，当红色部分内存被释放后，虽然我们还有足够的内存空间，但当需要申请像第一块灰色大小的内存时，就会导致内存分配失败。
为了最大效率的提升内存利用率，我们需要建立自己的内存管理方案。主要思路就是预先分配一块比较大的内存，之后的每次内存分配都是在空闲内存中分配可用空间。外部接口的定义了下面几个函数：
1 void *CreateMemoryZone(int size); 2 void DestroyMemoryZone(void *ptr); 3 void *Malloc(void *fromPtr, int size); 4 void Free(void *fromPtr, void *ptr); 5 void DebugPrint(void *ptr, const char *message);
最开始通过CreateMemoryZone预先分配一块固定大小的内存，之后每次通过Malloc和Free进行逻辑内存分配，最后DestroyMemoryZone释放整块内存，DebugPrint则帮助我们追踪内存的使用情况，帮助排查内存泄露等情况。我们通过链表的方式将空闲列表连接，定义了下面的数据结构：
1 //内存块
2 typedef struct memblock_s
3 {
4 int size; //包含头大小的当前内存块尺寸
5 int tag; //当前内存块是否被使用标记
6 struct memblock_s *next, *prev; //链连接的上一和下一空闲块
7 } memblock_t;
8
9 //放在内存末尾用于找到内存头信息
10 typedef struct
11 {
12 int size;
13 } memfooter_t;
14
15 //内存区首地址
16 typedef struct
17 {
18 int size; //总内存大小
19 int used; //当前使用的内存大小
20 memblock_t *freeblock; //第一块空闲内存块
21 } memzone_t;
CreateMemoryZone后 memzone_t信息存储于内存起始位置，标识了分配内存的总大小、已经使用的内存大小和指向第一块空闲内存的指针，初始情况下没有内存分配，memzone_t后紧接了一个未被分配的memblock_t结构，上一和下一空闲块指向自己，freeblock指向memzone_t的地址，内存释放时则直接调用DestroyMemoryZone，CreateMemoryZone和DestroyMemoryZone的代码如下：
1 void *CreateMemoryZone(int size)
2 {
3 memzone_t *zone;
4 memblock_t *block;
5 zone = (memzone_t *)calloc(size, 1);
6 if (!zone)
7 {
8 printf("InitMemory failed : %d", size);
9 return 0;
10 }
11 zone->size = size;
12 zone->used = 0;
13 block = (memblock_t *)((char *)zone + sizeof(memzone_t));
14 block->next = block->prev = block;
15 block->size = size - sizeof(memzone_t);
16 block->tag = 0;
17 zone->freeblock = block;
18
19 return zone;
20 }
21
22 void DestroyMemoryZone(void *ptr)
23 {
24 if (ptr)
25 free(ptr);
26 }
游戏内分配使用的内存时，Malloc分别传入CreateMemoryZone返回的内存地址和需要的内存大小，具体代码如下：
1 void *Malloc(void *fromPtr, int size)
2 {
3 int allocSize, extra;
4 memblock_t *base, *new;
5 memfooter_t *footer;
6 memzone_t *zone = (memzone_t *)fromPtr;
7
8 allocSize = size;
9 size += sizeof(memblock_t) + sizeof(memfooter_t);
10 size = (size + 3) & ~3; //4字节对齐
11
12 base = FindFreeMemory(zone, size);
13 if (!base)
14 {
15 printf("Malloc failed, memory not enough:%d\n", size);
16 return 0;
17 }
18
19 extra = base->size - size;
20 if (extra > sizeof(memblock_t) + sizeof(memfooter_t)) //找到的内存剩余部分可以分割为另一个block
21 {
22 new = (memblock_t *)((char *)base + size);
23 if (base->next == base) //唯一空闲块
24 new->next = new->prev = new;
25 else
26 {
27 new->next = base->next;
28 new->prev = base->prev;
29 }
30 new->size = extra;
31 zone->freeblock = new;
32 }
33 else
34 {
35 if (base->next == base) //唯一内存被分配
36 zone->freeblock = 0;
37 else
38 zone->freeblock = base->next;
39 }
40
41 base->size = size;
42
43 footer = (memfooter_t *)((char *)base + size - sizeof(memfooter_t));
44 footer->size = size;
45
46 base->tag = 1;
47 zone->used += size;
48
49 return (void *)((char *)base + sizeof(memblock_t));
50 }
上面代码第9、10行可以看到，分配的内存需要加上首尾结构的大小，并进行了一次4字节内存对齐。12行的FindFreeMemory找到一块合适的内存，之后如果有剩余内存则分配新的memblock_t块，最后返回memblock_t后面的地址。FindFreeMemory遍历空闲内存块列表，找到最小满足内存分配的块返回，这里也可以找到第一个满足的内存块以提高查找速度，但会造成内部内存碎片。FindFreeMemory的代码比较简单如下：
1 memblock_t *FindFreeMemory(memzone_t *zone, int size)
2 {
3 memblock_t *base = 0, *worker = 0;
4 int minMeetSize = -1;
5
6 if (size > zone->size - sizeof(memzone_t) - sizeof(memblock_t) - zone->used)
7 return 0;
8
9 worker = zone->freeblock;
10 if (!worker)
11 return 0;
12 do
13 {
14 if (worker->size >= size && (worker->size < minMeetSize || minMeetSize == -1))
15 {
16 base = worker;
17 minMeetSize = worker->size;
18 }
19 } while (worker != zone->freeblock);
20
21 return base;
22 }
内存释放过程稍微有些复杂，内存释放后，需要对空闲的相邻内存块进行合并，代码如下：
1 void Free(void *fromPtr, void *ptr)
2 {
3 memblock_t *base, *other, *first, *last;
4 memfooter_t *baseFooter, *prevAdjacentFooter, *lastFooter;
5 memzone_t *zone = (memzone_t *)fromPtr;
6 int freeSize;
7 int isMerged = 0;
8
9 base = (memblock_t *)((char *)ptr - sizeof(memblock_t));
10 base->tag = 0;
11 freeSize = base->size;
12
13 first = (memblock_t *)((char *)fromPtr + sizeof(memzone_t));
14 lastFooter = (memfooter_t *)((char *)fromPtr + zone->size - sizeof(memfooter_t));
15 last = (memblock_t *)((char *)fromPtr + zone->size - lastFooter->size);
16
17 if (!zone->freeblock)
18 {
19 zone->freeblock = base->next = base->prev = base;
20 return;
21 }
22
23 //检查相邻内存空闲则合并
24 if (base > first)
25 {
26 prevAdjacentFooter = (memfooter_t *)((char *)base - sizeof(memfooter_t));
27 other = (memblock_t *)((char *)base - prevAdjacentFooter->size);
28 if (other->tag == 0)
29 {
30 base = other;
31 base->size += freeSize;
32 isMerged = 1;
33 }
34 }
35
36 if (base < last)
37 {
38 other = (memblock_t *)((char *)base + base->size);
39 if (other->tag == 0)
40 {
41 base->size += other->size;
42 base->next = other->next;
43 base->prev = other->prev;
44 base->prev->next = base;
45 base->next->prev = base;
46 if (other == zone->freeblock)
47 {
48 zone->freeblock = base;
49 }
50 isMerged = 1;
51 }
52 }
53
54 baseFooter = (memfooter_t *)((char *)base + base->size - sizeof(memfooter_t));
55 baseFooter->size = base->size;
56
57 zone->used -= freeSize;
58
59 if (!isMerged)
60 {
61 base->next = zone->freeblock->next;
62 base->prev = zone->freeblock;
63 zone->freeblock->next = base;
64 if (zone->freeblock->prev == zone->freeblock)
65 zone->freeblock->prev = base;
66 }
67 }
代码第17号判断如果当前没有空闲内存，则直接将freeblock指向当前释放的内存块。第24行到56行判断是否相邻内存块空闲，如果空闲则进行合并。最后在59行的时候，如果内存块没进行合并，则插入到空间列表中。至此，需要的内存管理函数就都有了，我们还增加了一个调试函数如下，实际使用时可按需修改：
1 void DebugPrint(void *ptr, const char *message)
2 {
3 memzone_t *zone = (memzone_t *)ptr;
4 memblock_t *block;
5 printf("==========================================\n");
6 printf("%s\n", message);
7 printf("Zone Info(%p):\nSize: %d\nUsed:%d\n", zone, zone->size, zone->used);
8 block = zone->freeblock;
9 while (block)
10 {
11 printf("Free addr:%p, size:%d\n", block, block->size);
12 block = block->next;
13 if (block == zone->freeblock)
14 break;
15 }
16 printf("==========================================\n");
17
18 printf("\n\r");
19 }
以上是全部的内存管理函数，在实际游戏中，需要根据对内存的实际需求进行初始大小的分配，如果开始的时候内存大小是无法确定的，也可以在Malloc内存时，动态管理内存大小
如果发现空间不足，则重新分配一块更大的内存zone，将当前的分配信息拷贝到新的内存zone下，而不是像现在这样直接返回错误。
{ memzone_t *zone; memblock_t *block; zone = (memzone_t *)calloc(size, 1); if (!zone) printf("InitMemory failed : %d", size); zone->size = size; zone->used = 0; block = (memblock_t *)((char *)zone + sizeof(memzone_t)); block->next = block->prev = block; block->size = size - sizeof(memzone_t); block->tag = 0; zone->freeblock = block;return zone;}
标签：从零开始,1.2,zone,memblock,base,内存,block,size 来源： https://www.cnblogs.com/primarycode/p/16328487.html