malloc底层实现及原理

可以基于伙伴系统实现，也可以使用基于链表的实现

• 将所有空闲内存块连成链表，每个节点记录空闲内存块的地址、大小等信息
• 分配内存时，找到大小合适的块，切成两份，一分给用户，一份放回空闲链表
• free时，直接把内存块返回链表
• 解决外部碎片：将能够合并的内存块进行合并

brk() 和 sbrk()

都是扩展heap的上界brk

#include 
int brk( const void *addr )//参数设置为新的brk上界地址，成功返回1，失败返回0；
void* sbrk ( intptr_t incr );//申请内存的大小，返回heap新的上界brk的地址;

mmap()

Malloc使用的是mmap的第二种用法（匿名映射）。

#include 
//mmap的第一种用法是映射此盘文件到内存中；
//第二种用法是匿名映射，不映射磁盘文件，而向映射区申请一块内存。
void *mmap(void *addr, size\_t length, int prot, int flags, int fd, off\_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);//释放内存。

1）当开辟的空间小于 128K 时，调用 brk（）函数，malloc 的底层实现是系统调用函数 brk（），其主要移动指针 _enddata(此时的 _enddata 指的是 Linux 地址空间中堆段的末尾地址，不是数据段的末尾地址)。

• malloc分配了这块内存，然后如果从不去访问它，那么物理页是不会被分配的。
• 当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操作

2）当开辟的空间大于 128K 时，mmap（）系统调用函数来在虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为“文件映射区域”的地方）找一块空间来开辟。

虚拟内存

malloc实现原理：

Malloc函数用于动态分配内存。为了减少内存碎片和系统调用的开销，malloc其采用内存池的方式，先申请大块内存作为堆区，然后将堆区分为多个内存块，以块作为内存管理的基本单位。当用户申请内存时，直接从堆区分配一块合适的空闲块。Malloc采用隐式链表结构将堆区分成连续的、大小不一的块，包含已分配块和未分配块；同时malloc采用显示链表结构来管理所有的空闲块，即使用一个双向链表将空闲块连接起来，每一个空闲块记录了一个连续的、未分配的地址。

当进行内存分配时，Malloc会通过隐式链表遍历所有的空闲块，选择满足要求的块进行分配；当进行内存合并时，malloc采用边界标记法，根据每个块的前后块是否已经分配来决定是否进行块合并。

1、空闲存储空间以空闲链表的方式组织（地址递增），每个块包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身存储空间的指针。（ 因为程序中的某些地方可能不通过malloc调用申请，因此malloc管理的空间不一定连续。）
2、当有申请请求时，malloc会扫描空闲链表，直到找到一个足够大的块为止（首次适应）(因此每次调用malloc时并不是花费了完全相同的时间）。
3、如果该块恰好与请求的大小相符，则将其从链表中移走并返回给用户。如果该块太大，则将其分为两部分，尾部的部分分给用户，剩下的部分留在空闲链表中（更改头部信息）。因此malloc分配的是一块连续的内存。
4、释放时，首先搜索空闲链表，找到可以插入被释放块的合适位置。如果与被释放块相邻的任一边是一个空闲块，则将这两个块合为一个更大的块，以减少内存碎片。

因为brk、sbrk、mmap都属于系统调用，若每次申请内存，都调用这三个，那么每次都会产生系统调用，影响性能；其次，这样申请的内存容易产生碎片，因为堆是从低地址到高地址，如果高地址的内存没有被释放，低地址的内存就不能被回收。
所以malloc采用的是内存池的管理方式（ptmalloc），Ptmalloc 采用边界标记法将内存划分成很多块，从而对内存的分配与回收进行管理。为了内存分配函数malloc的高效性，ptmalloc会预先向操作系统申请一块内存供用户使用，当我们申请和释放内存的时候，ptmalloc会将这些内存管理起来，并通过一些策略来判断是否将其回收给操作系统。这样做的最大好处就是，使用户申请和释放内存的时候更加高效，避免产生过多的内存碎片。