使用过c语言的都知道malloc是一个动态分配内存的函数,还可以通过free释放内存空间。
如果我们想分析一下malloc的源码,这其实不是一会就能看懂的,但是我们可以讨论一下malloc的简单实现。
在这之前,我们先来看一下虚拟内存空间。

虚拟内存空间时操作系统实现内存管理的一种机制。操作系统为每个进程维护一个虚拟内存空间。操作系统会将虚拟内存和实际的物理内存进行映射,CPU芯片上叫做存储器管理单元(Memory Management Unit,MMU)的专用硬件,利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址,该表的内容是由操作系统管理。虚拟内存使得用户感觉内存空间时连续的,同时给进程提供独占内存的假象。
我们可以看到虚拟内存空间的顶部是内核管理的内存空间,下面则是用户的内存空间,用户空间无权访问内核的内存空间。
我们可以看到一个区域,运行时堆。我们可以看到运行时堆上面还有一块黑色部分,这就是还未映射的内存。

在已经映射的内存空间结尾有一个break指针,这个指针下面是映射好的内存,可以访问,上面则是未映射的访问,不能访问。可以通过系统调用sbrk(位移量)能一定brk指针的位置,同时返回brk指针的位置,达到申请内存的目。brk(void *addr)系统调用可以直接将brk设置为某个地址,成功返回0,不成功返回-1。而rlimit则是限制进程堆内存容量的指针。
在操作系统角度来看,分配内存有两种方式,一种是采用推进brk指针来增加堆的有效区域来申请内存空间,还有一种是采用mmap是在进程的虚拟地址空间中(堆和栈中间,称为文件映射区域的地方)找一块空闲的虚拟内存。这两种方式都是分配虚拟内存,只有当第一次访问虚拟地址空间时,操作系统给分配物理内存空间。
malloc是采用brk的方式来动态分配内存。
那么来谈一下空间内配的实现问题。
其中一种是隐式链表,实际上是数组,malloc分配空间必然有一个数据结构,允许它来区分边界,区分已分配和空间的空间,数据结构中包含一个头部信息和有效载荷,有效载荷的首地址就是malloc返回的地址,可能在尾部还有填充,为了保持内存对齐。头部相当于该数据结构的元数据,其中包含了块大小和是否是空闲空间的信息,这样可以根据头地址和块大小的地址推出下一个内存块的地址,这就是隐式链表。

malloc内存分配原理
malloc基本的实现原理就是维护一个内存空闲链表,当申请内存空间时,搜索内存空闲链表,找到适配的空闲内存空间,然后将空间分割成两个内存块,一个变成分配块,一个变成新的空闲块。如果没有搜索到,那么就会用sbrk()才推进brk指针来申请内存空间。
搜索空闲块最常见的算法有:首次适配,下一次适配,最佳适配。
首次适配:第一次找到足够大的内存块就分配,这种方法会产生很多的内存碎片。
下一次适配:也就是说等第二次找到足够大的内存块就分配,这样会产生比较少的内存碎片。
最佳适配:对堆进行彻底的搜索,从头开始,遍历所有块,使用数据区大小大于size且差值最小的块作为此次分配的块。

合并空闲块
在释放内存块后,如果不进行合并,那么相邻的空闲内存块还是相当于两个内存块,会形成一种假碎片。所以当释放内存后,我们需要将两个相邻的内存块进行合并。

显式空闲链表
还有一种实现方式则是采用显示空闲链表,这个是真正的链表形式。在之前的有效载荷中加入了之前前驱和后驱的指针,也可以称为双向链表。维护空闲链表的的方式第一种是用后进先出(LIFO),将新释放的块放置在链表的开始处。另一种方法是按照地址的顺序来维护。

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