扫描多位模式的位阵列

Question

我正在编写一个由位图（uint8_t 数组）支持的内存分配器，当分配请求出现时，我从 0 到 n 位顺序扫描位图并搜索可以满足请求的空间. （位 1 表示使用的页面，0 表示页面是空闲的） 现在不是一次一位地搜索空间，有没有技术可以更快地扫描整个数组？即如果对 3 页内存的请求到达，我想一次性在数组中搜索000 模式，理想情况下不循环？

PS：我没有使用std::bitset，因为它不适用于我正在使用的编译器。 AFAIK 也不允许我搜索多个位。

编辑：位被打包到一个字节中，uint8_t 有 8 个页面（每位 1 个）在其中编码。

Answer 1

要扫描一个空页，您可以一次循环一个完整字节的位数组并检查它是否小于 255。如果小于 255，则至少有一个零位。更好的是一次扫描 32 位或 64 位（无符号整数），然后缩小 uint 内的搜索范围。

为了优化一点，您可以使用零位跟踪第一个字节（并在释放页面时更新该位置）。一旦您分配了该空闲页面，这可能会产生误报，但至少下次扫描可以从那里开始而不是从开始时开始。

如果您愿意以 2 的幂（取决于您的数据结构）对齐较大的块，则可以优化对多个页面的扫描。例如，要分配 8 个页面，您只需扫描一个为零的完整字节：

1 page: scan for any zero bit (up to 64 bits at a time)
2 pages: scan for 2 zero bits at bit position 0,2,4,6
3-4 pages: scan for zero nibble (for 3 pages, the fourth would be available for 1 page then)
5-8 pages: scan for an empty byte

for each of the above, you could first scan 64 bits at a time.

这样，您不必担心（或检查）字节/uint32/uint64 边界处重叠的零范围。

对于每种类型，可以保留/更新第一个空闲块的起始位置。

Answer 2

不是您问题的完整答案（我想），但我希望以下功能可以提供帮助。

template <typename I>
bool scan_n_zeros (I iVal, std::size_t num)
 {
   while ( --num )
      iVal |= ((iVal << 1) | I{1});

   return iVal != I(-1);
 }

它返回（如果我写得正确的话）true 如果（不是在哪里）iVal 中至少有 num 连续的零位。

以下是T 为uint8_t 时的完整工作示例

#include <iostream>

template <typename I>
bool scan_n_zeros (I iVal, std::size_t num)
 {
   while ( --num )
      iVal |= ((iVal << 1) | I{1});

   return iVal != I(-1);
 }

int main()
 {
   uint8_t  u0 { 0b00100100 };
   uint8_t  u1 { 0b00001111 };
   uint8_t  u2 { 0b10000111 };
   uint8_t  u3 { 0b11000011 };
   uint8_t  u4 { 0b11100001 };
   uint8_t  u5 { 0b11110000 };

   std::cout << scan_n_zeros(u0, 2U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u0, 3U) << std::endl; // print 0
   std::cout << scan_n_zeros(u1, 4U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u1, 5U) << std::endl; // print 0
   std::cout << scan_n_zeros(u2, 4U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u2, 5U) << std::endl; // print 0
   std::cout << scan_n_zeros(u3, 4U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u3, 5U) << std::endl; // print 0
   std::cout << scan_n_zeros(u4, 4U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u4, 5U) << std::endl; // print 0
   std::cout << scan_n_zeros(u5, 4U) << std::endl; // print 1
   std::cout << scan_n_zeros(u5, 5U) << std::endl; // print 0
 }