AT&T的malloc实现--malloc的基础和本质
malloc作为标准c的一个内存分配调用想必每一个搞过C语言的都用过，然而在这个很常用的统一接口下面却有着N种不同的实现，linux的glibc有自己的实现，windows的crt有自己的实现，这些实现都有着自己的策略，特别是glibc的实现让人看的头晕，crt的实现虽然简单但是有着策略感觉很傻，最原始而且最能说明本质的实现我认为还是贝尔实验室的实现，很简单，前后不超过60行代码，让人读后心旷神怡，连同free的实现一同构成了一幅美丽的图景，本质上贝尔实验室的malloc使用了一个线性的链表来表示可以分配的内存块，熟悉伙伴系统和slab的应该知道这是这么回事，但是仍然和slab和伙伴系统有所不同，slab中分配的都是相同大小的内存块，而伙伴系统中分配的是不同确定大小的内存块，比如确定的1，2，4，8...的内存，贝尔试验室的malloc版本是一种随意的分配，本身遵循碎片最少化，利用率最大化的原则分配，其实想想slab的初衷，其实就是一个池的概念，省去了分配时的开销，而伙伴系统的提出就是为了消除碎片，贝尔malloc版本一举两得，虽然现在很多人已经遗忘了这个版本或者你可以说glibc或者crt的实现已经超越了这个版本，但是这些实现或多或少的给蛇添了足，没有贝尔malloc实现的那么纯粹。现在首先看一下基本的数据结构：
typedef struct mem{
struct mem *next;
Unsigned len;
}mem;
这个数据结构表示一切的内存块slot，每一个slot代表一块内存，其中的len表示其长度，这个结构体其实就是一个头的概念，真正的数据附着在这个结构体的后面相邻的地方，这个结构体设计的巧妙之处在于它可以让malloc和free更简单的实现，正式由于它的第一个字段是一个mem*类型的，妙在哪里呢？只有看了malloc才知道：
mem *F; //一个全局的mem*链表，F的含义就是Free，它指向当前空闲链表的头，该链表是一个线性链表
void *malloc(unsigned size)
{
register mem *p, *q, *r, *s;
unsigned register k, m;
extern char *sbrk(int);
char *top, *top1;
size = (size+7) & ~7; //字节对齐
r = (mem *) &F; //取链表头的地址，该头本身就是一个指针类型，因此r实际上是指针的指针，正是由于mem的第一个字段是一个mem*类型，它才可以转化为mem*类型的，F取地址后就是F的地址，存储的是F，而F是一个men指针，因此&F地址处的数据就是一个mem*类型，将之转化为mem*之后，其数据整好是mem的next字段，注意此时它的len字段无效，这个转化的意义就在于r的next就是F
for (p = F, q = 0; p; r = p, p = p->next) //遍历空闲链表，直到F的前驱为NULL
{
if ((k = p->len) >= size && ( !q || m > k)) //&之前的确保当前的空闲块满足分配要求，之后的确保找到大于size的空闲块的最小的那一块
{
m = k; //m记录当前找到的满足要求的最小块
q = p; //q记录当前满足要求的那一块
s = r; //s记录当前满足要求的前一块
}
}
if (q) //如果找了满足要求的块，要么直接分配，要么分割后分配然后重将分配后没有使用的那一块加入空闲链表
{
if (q->len - size >= MINBLK) //满足分割要求，也就是最小粒度要求
{
p = (mem *)(((char *)(q+1)) + size); //设置q的大小，这一块将从空闲链表移除，返回使用
p->next = q->next; //将分割后的新的空闲块的next设置为分割前的q的next
p->len = q->len - size - sizeof(mem); //分割后的p的len显然减少了size和mem的加和的大小
s->next = p; //将满足要求的前一块的next指向q的后一块
q->len = size; //将q分配出去，也就是从空闲链表移除
}
else //如果不能分割，那么直接将这一块q分配出去
s->next = q->next;
}
else //如果没有找到合适的空闲块可以分配，那么就要向操作系统要了
{
top = (char *)(((long)sbrk(0) + 7) & ~7); //找到当前的堆的顶部
if (F && (char *)(F+1) + F->len == top) //如果有空闲块并且空闲块就是堆顶的那一块
{
q = F; //将空闲块首指针赋给q
F = F->next; //向后推进空闲块
}
else //否则将堆顶赋给q
q = (mem *) top;
top1 = (char *)(q+1) + size; //找到新的堆顶，但是要预先分配SBGULP
if (sbrk((int)(top1-top+SBGULP)) == (Char *) -1)
return 0;
r = (mem *)top1; //r记录新的将要分配的slot的next
r->len = SBGULP - sizeof(mem);
r->next = F; //将原来的空闲链表赋给新的slot的next的next
F = r; //新的slot的下一个slot赋给新的空闲链表
q->len = size;
}
return (char *)(q+1); //返回q，q就是分配的内存
}
以上就是malloc的操作，很有条理，并且很清晰，关键就是指针的使用，看了这个实现就会发现原来指针还能这么使用，如果mem结构体的第一个字段不是mem类型的指针，那么上述的malloc实现根本就不可能有这么简单。注意“下一个元素”有两个概念，一个是逻辑上的概念，用next字段得到，另一个是物理上的概念，用qn = (char *)f + q->len这种方式得到，用next指针得到的下一个元素物理上不一定相邻，所有的用next连在一起的元素都是空闲元素，而用偏移得到的下一个元素是物理上相邻的内存块，也就是虚拟内存相邻的内存块，用此方式得到的内存块不一定是空闲块。分配也就是上面这个malloc函数，很简单的一个函数，释放其实也是很有意思的，其实就是free函数：
void free(char *f)
{
mem *p, *q, *r;
char *pn, *qn;
if (!f)
return;
q = (mem *) ((char *)f - sizeof(mem)); //得到要释放的f所在的mem头的位置，虽然q已经从空闲链表摘除，但是它还是本质存在的
qn = (char *)f + q->len; //在线性链表中得到q的下一个元素，不一定是空闲元素，因为它是靠内存位置来游历的
for (p = F, r = (mem *) &F; ; r = p, p = p->next)
{
if (qn == (Char *) p) //如果q的下一个元素就是p的话，那么吞并掉它，注意p一定是空闲元素，因为它是靠next指针来游历的
{
q->len += p->len + sizeof(mem); //更新q的len字段，这就是吞并p的行为
p = p->next; //由于p被将要释放的q吞并，导致p进入q内部而不复存在，其本身也就成为了一个将要被释放的内存块的一部分
}
pn = p ? ((char *) (p+1)) + p->len : 0; //得到p的下一个元素，不一定空闲
if (pn == (char *) q) //如果p的后面相邻元素就是将要释放的q，那么q就和p合并作为一个更大的空闲块存在
{
p->len += sizeof(mem) + q->len; //合并p和q
q->len = 0; //丢掉q
q->next = p; //回环，实际上已经丢弃了q
r->next = p; //这一个很有意思，下面会专门说
break;
}
if (pn
{
r->next = q; //更新链接指针
q->next = p;
break;
}
}
}
到此为止，所有的分配和释放就说完了，是不是很简单呢？上面的合并操作的目的和伙伴系统的一样，只不过伙伴系统合并的是大小固定的内存块，而这里的合并是只要相邻有合并的可能就合并而不管内存块的大小。注意上述的代码没有考虑并发和需要锁的情况，但是这就是最纯真，也是最本质的东西，不是吗？在这种简单而又可以说明本质之后，我会写两篇关于malloc的改进版本，分别是微软的和glibc的版本。
附：关于指针的一个问题
前面说过，如果不是mem结构设计得如此巧妙，那么AT&T的malloc不会这么简单，最重要的就是可以通过&F然后将之转化为mem*类型，这样这个指针就是F的前一个元素，如果不这么设计mem结构，那么可能除了next指针之外还需要一个prev指针了。注意，设F为mem指针，&F并不是一个真正的mem指针，而是由于mem的第一个字段为一个mem指针，而&F在内存中应该是一个mem指针的指针，但是该指针的指针不论如何也是一个指针类型，其指向的数据正好也是一个指针，后者是mem指针类型，这正好符合mem结构体的布局，mem结构体的第一个字段就是一个mem指针类型，因此我们可以将&F理解成F的前一个元素，因为&F的第一个字段是F，这仅仅是可以这么理解，如果不将next作为第一个字段，那么就没有这样的事，并且任何改变&F的next字段的行为都会改变F本身，除了&F是F的前一个元素这件事成立之外，它们还有别的千丝万缕的联系，这就是指针的伟大，同时也可能带来更多的困惑。