自定义 malloc 实现上奇怪的操作系统相关行为

Question

我正在学习一门课程，其中我们有一个malloc的自定义实现，取自这篇文章，malloc的实现可以在这里看到，此外，我们还有这个测试实现本身的程序（它只是进行了大量的内存分配）

#include <stdlib.h>

#define MAXITERS   100000
#define MAXSIZE    1024

int main(int argc, char* argv[]) {
  float pfree = atof(argv[1]);
  int niter = rand() % MAXITERS;
  for(int i = 0; i < niter; i++ ) {
     int size = rand() % MAXSIZE;
     void* p = malloc(size * sizeof(char));
     float toss = (float)random() / RAND_MAX;
     if ( toss > pfree )
        free(p);
  }
  return 0;
}

问题是，每当我运行它时，在 WSL2 上都会花费大约 30 秒。我朋友的电脑（配备 M3 Pro）大约需要 1 秒，我教授的 M2 Air 也花了大约 1 秒。自然，我认为这是 WSL 的问题，因此我快速启动到 Ubuntu 23，运行该程序，发现它与 WSl2 花费相同的时间。然后我决定在 Fedora 39 中运行它，并得到了相同的结果。

这是我们正在使用的编译命令，我认为这可能是某些事情变得奇怪的原因。

gcc -Wno-deprecated-declarations -o libmemalloc.so -fPIC -shared memalloc.c
export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
gcc testalloc.c -o testalloc -L. -lmemalloc
./testalloc 0.5

原始说明没有附带 LD_LIBRARY_PATH 的 “export” 关键字，因为我的教授在 MacOS 上工作并且它似乎在那里工作，但是，在 Linux 上，没有它它们就无法工作。这可能是问题所在吗？导出功能与 MacOS 版本是否不同？

我会将包含我们正在运行的代码的 .zip 文件以及运行它的脚本上传到此存储库，这就是我用于测试的脚本。如果你们可以测试代码及其速度，并帮助我解决这个问题，我将不胜感激。

编辑 我们确认它确实是在 MacOS 上使用我们的实际实现，正如我们所补充的：

int x = x/0;
printf("%d", x);

对于代码，在 Linux 上它崩溃了，但奇怪的是，在 MacOS 上它只打印 0，我不知道这是否是正常行为，但无论哪种方式，它肯定使用我们的实现，因为它要么崩溃，要么打印 0 .

[我尝试过的]

尝试过其他计算机和操作系统，都一样（出于明显原因，Windows 除外）

尝试了不同的编译命令，包括原始文章中使用 LD_PRELOAD 的编译命令，但它们仍然非常慢，并且会破坏终端会话上的其他程序，而 LD_LIBRARY_PATH 似乎不会这样做。

添加破坏我们的 malloc 实现的代码（参见上面的编辑），运行我们的版本的 MacOS 大约需要 1~ 秒，但即使是 10 年前的笔记本电脑，在运行实际的 malloc() 时，这一事实进一步证明了这一点它在 0.0 秒内完成（使用 time 命令），因此 MacO 肯定正在运行我们版本的 malloc()。

Answer 1

程序的运行时间受到您获得的随机数的影响：

1. niter

   的值（迭代次数！！！）
2. 每个循环上

   size

   的值。

3. toss

   的价值（无论您是否执行

   free

   ）。

您正在混合

rand

和

random

调用 [为什么？]。

在某些系统上（例如

linux/glibc

），

rand

会调用

random

，但其他系统则不会。

此外，在

linux/glibc

上，

rand_r

是一个简单的线性同余生成器，而

rand

不是

rand_r(&seed)

参见：线性同余发生器

因此，为了获得一致的结果，您将受到给定系统实现

rand

和

random

！

的影响

---

尝试将所有

rand*

调用替换为：（例如）

xrand

。这是基于“标准”数字的 LCG：

static unsigned int xrand_seed;

int
xrand_r(unsigned int *seed)
{
    int val = *seed;
    val = (val * 1103515245) + 12345;
    *seed = val;
    return val & 0x7FFFFFFF;
}

int
xrand(void)
{
    return xrand_r(&xrand_seed);
}

---

这是

testalloc.c

的重构版本：

1. 它使用上面的

   xrand

   实现
2. 它具有调试功能

   printf

   和时间戳，以便您可以看到性能如何受到影响。
3. 它允许使用

   -R<seed>

   参数来查看随机种子如何影响性能。
4. 在没有参数的情况下调用程序导致的段错误已修复。

/*
 * a simple application to exercise malloc() and free() calls
 */

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define MAXITERS   100000
#define MAXSIZE    1024

#if DEBUG
#define dbgprt(_fmt...) \
    do { \
        dbgstamp(); \
        printf(_fmt); \
    } while (0)
#else
#define dbgprt(_fmt...) \
    do { } while (0)
#endif

double tsczero;

double
tscgetf(void)
{
    struct timespec ts;
    double sec;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,&ts);
    sec = ts.tv_nsec;
    sec /= 1e9;
    sec += ts.tv_sec;

    sec -= tsczero;

    return sec;
}

void
dbgstamp(void)
{
    double tsc = tscgetf();

    static unsigned long long seqno;
    printf("[%llu/%.9f] ",seqno++,tsc);
}

static unsigned int xrand_seed;

int
xrand_r(unsigned int *seed)
{
    int val = *seed;
    val = (val * 1103515245) + 12345;
    *seed = val;
    return val & 0x7FFFFFFF;
}

int
xrand(void)
{
    return xrand_r(&xrand_seed);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{

    --argc;
    ++argv;

    tsczero = tscgetf();

    for (;  argc > 0;  --argc, ++argv) {
        char *cp = *argv;
        if (*cp != '-')
            break;

        cp += 2;
        switch (cp[-1]) {
        case 'R':
            xrand_seed = atoll(cp);
            break;
        }
    }

    dbgprt("main: R=%u\n",xrand_seed);

    double pfree;
    if (argc > 1)
        pfree = atof(argv[1]);
    else
        pfree = 0.5;
    dbgprt("main: pfree=%g\n",pfree);

    int niter = xrand() % MAXITERS;
    dbgprt("main: niter=%d\n",niter);

    for (int i = 0; i < niter; i++) {
        dbgprt("main: ENTER i=%d/%d\n",i,niter);

        int size = xrand() % MAXSIZE;
        dbgprt("main: RAND size=%d\n",size);

        void *p = malloc(size * sizeof(char));
        dbgprt("main: RET p=%p\n",p);

        double toss = (double) xrand() / RAND_MAX;
        if (toss > pfree) {
            dbgprt("main: FREE\n");
            free(p);
        }

        dbgprt("main: EXIT\n");
    }

    printf("Successful\n");

    return 0;
}