malloc和free简介及实现方式说明
malloc / free 简介
malloc 分配指定大小的内存空间，返回一个指向该空间的指针。大小以字节为单位。返回 void* 指针，需要强制类型转换后才能引用其中的值。 free 释放一个由 malloc 所分配的内存空间。ptr 指向一个要释放内存的内存块，该指针应当是之前调用的 malloc 的返回值。
使用示例：
int* ptr;
ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); /* 进行强制类型转换 */
free(ptr);、
动态内存分配的系统调用：brk / sbrk
动态分配的内存都在堆中，堆从低地址向高地址增长：
Linux 提供了两个系统调用 brk 和 sbrk：
int brk(void *addr);
void *sbrk(intptr_t increment);
brk 用于返回堆的顶部地址；sbrk用于扩展堆，通过参数increment 指定要增加的大小，如果扩展成功，返回 brk 的旧值。如果 increment 为零，返回brk的当前值。
我们不会直接通过 brk 或 sbrk 来分配堆内存，而是先通过sbrk 扩展堆，将这部分空闲内存空间作为缓冲池，然后通过 malloc / free 管理缓冲池中的内存。这是一种程序化思想，能够避免频繁的系统调用，提高程序性能。
malloc / free 实现思路
malloc 使用空闲链表组织堆中的空闲区块，空闲链表有时也用双向链表实现。每个空闲区块都有一个相同的首部，称为“内存控制块” mem_control_block，其中记录了空闲区块的信息，比如指向下一个分配块的指针、当前分配块的长度、或者当前区块是否已经被分配出去。这个首部对于程序是不可见的，malloc 返回的是紧跟在首部后面的地址，即可用空间的起始地址。
malloc 分配时会搜索空闲链表，根据匹配原则，找到一个大于等于所需空间的空闲区块，然后将其分配出去，返回这部分空间的指针。如果没有这样的内存块，则向操作系统申请扩展堆内存。注意，返回的指针是从可用空间开始的，而不是从首部开始的：
malloc 所使用的内存匹配算法有很多，执行时间和内存消耗也各有不同。到底使用哪个匹配算法，取决于实现。常见的内存匹配算法有：
- 最佳适应法
- 最差适应法
- 首次适应法
- 下一个适应法
free 会将区块重新插入到空闲链表中。free 只接受一个指针，却可以释放恰当大小的内存，这是因为在分配的区域的首部保存了该区域的大小。
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malloc 的实现方式一：显式空闲链表 + 整块分配
malloc 的实现方式有很多种。最简单的方法是使用一个链表来管理所有已分配和未分配的内存块，在每个内存块的首部记录当前块的大小、当前区块是否已经被分配出去。首部对应这样的结构体：
struct mem_control_block {
int is_available; // 是否可用（如果还没被分配出去，就是 1）
int size; // 实际空间的大小
};
使用首次适应法进行分配：遍历整个链表，找到第一个未被分配、大小合适的内存块；如果没有这样的内存块，则向操作系统申请扩展堆内存。
下面是这种实现方式的代码：
int has_initialized = 0; // 初始化标志
void *managed_memory_start; // 指向堆底（内存块起始位置）
void *last_valid_address; // 指向堆顶
void malloc_init() {
// 这里不向操作系统申请堆空间，只是为了获取堆的起始地址
last_valid_address = sbrk(0);
managed_memory_start = last_valid_address;
has_initialized = 1;
}
void *malloc(long numbytes) {
void *current_location; // 当前访问的内存位置
struct mem_control_block *current_location_mcb; // 只是作了一个强制类型转换
void *memory_location; // 这是要返回的内存位置。初始时设为
// 0，表示没有找到合适的位置
if (!has_initialized) {
malloc_init();
}
// 要查找的内存必须包含内存控制块，所以需要调整 numbytes 的大小
numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block);
// 初始时设为 0，表示没有找到合适的位置
memory_location = 0;
/* Begin searching at the start of managed memory */
// 从被管理内存的起始位置开始搜索
// managed_memory_start 是在 malloc_init 中通过 sbrk() 函数设置的
current_location = managed_memory_start;
while (current_location != last_valid_address) {
// current_location 是一个 void 指针，用来计算地址；
// current_location_mcb 是一个具体的结构体类型
// 这两个实际上是一个含义
current_location_mcb = (struct mem_control_block *)current_location;
if (current_location_mcb->is_available) {
if (current_location_mcb->size >= numbytes) {
// 找到一个可用、大小适合的内存块
current_location_mcb->is_available = 0; // 设为不可用
memory_location = current_location; // 设置内存地址
break;
}
}
// 否则，当前内存块不可用或过小，移动到下一个内存块
current_location = current_location + current_location_mcb->size;
}
// 循环结束，没有找到合适的位置，需要向操作系统申请更多内存
if (!memory_location) {
// 扩展堆
sbrk(numbytes);
// 新的内存的起始位置就是 last_valid_address 的旧值
memory_location = last_valid_address;
// 将 last_valid_address 后移 numbytes，移动到整个内存的最右边界
last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
// 初始化内存控制块 mem_control_block
current_location_mcb = memory_location;
current_location_mcb->is_available = 0;
current_location_mcb->size = numbytes;
}
// 最终，memory_location 保存了大小为 numbyte的内存空间，
// 并且在空间的开始处包含了一个内存控制块，记录了元信息
// 内存控制块对于用户而言应该是透明的，因此返回指针前，跳过内存分配块
memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block);
// 返回内存块的指针
return memory_location;
}
对应的free实现：
void free(void *ptr) { // ptr 是要回收的空间
struct mem_control_block *free;
free = ptr - sizeof(struct mem_control_block); // 找到该内存块的控制信息的地址
free->is_available = 1; // 该空间置为可用
return;
}
这种方法的缺点是：
1、已分配和未分配的内存块位于同一个链表中，每次分配都需要从头到尾遍历
2、采用首次适应法，内存块会被整体分配，容易产生较多内部碎片
malloc 的实现方式二：显式空闲链表 + 按需分配
这种实现方式维护一个空闲块链表，只包含未分配的内存块。malloc 分配时会搜索空闲链表，找到第一个大于等于所需空间的空闲区块，然后从该区块的尾部取出所需要的空间，剩余空间还是存在空闲链表中；如果该区块的剩余部分不足以放下首部信息，则直接将其从空闲链表摘除。最后返回这部分空间的指针。 下面是这种实现方式的几个示例：
通过 free 释放内存时，会将内存块加入到空闲链表中，并将前后相邻的空闲内存合并，这时使用双向链表管理空闲链表就很有用了。
和第一种方式相比，这种方式的优点主要是：
- 空闲链表中只包含未被分配的内存块，节省遍历开销
- 只分配必须大小的空间，避免内存浪费
这种方式的缺点是：多次调用 malloc 后，空闲内存被切成很多的小内存片段，产生较多外部碎片，会导致用户在申请内存使用时，找不到足够大的内存空间。这时需要进行内存整理，将连续的空闲内存合并，但是这会降低函数性能。
注意：内存紧凑在这里一般是不可用的，因为这会改变之前 malloc 返回的空间的地址。
malloc 的实现方式三：分离的空闲链表
上面的两种分配方法，分配时间都和空闲块的数量成线性关系。
另一种实现方式是分离存储，即维护多个空闲链表，其中每个链表中的块有大致相等或者相同的大小。一般常见的是根据 2 的幂来划分块大小。分配时，可以直接在某个空闲链表里搜索合适的块。如果没有找到合适的块与之匹配，就搜索下一个链表，以此类推。
简单分离存储
每个大小类的空闲链表包含大小相等的块。分配时，从某个空闲链表取下一块，或者向操作系统请求内存片并分割成大小相等的块，形成新的链表。释放时，只需要简单的将块插入到相应空闲链表的前面。
优点一是分配和释放只需要在链表头进行操作，都是常数时间，二是因为每个块大小都是固定的，所以只需要一个 next 指针，不需要额外的控制信息，节省空间。缺点是容易造成内部碎片和外部碎片。内部碎片显而易见，因为每个块都是整体分配的，不会被分割。外部碎片在这样的模式下很容易产生：应用频繁地申请和释放较小大小的内存块，由于这些内存块不会合并，所以系统维护了大量小内存块形成的空闲链表，而没有多余空间来分配大内存块，导致产生外部碎片。
分离适配
这种方法同样维护了多个空闲链表，只不过每个链表中的块是大致相等的大小，比如每个链表中的块大小范围可能是：
- 1
- 2
- 3~4
- 5~8
- …
- 1025~2048
- 2049~4096
- 4097~∞
在分配的时候，需要先根据申请内存的大小选择适当的空闲链表，然后遍历该链表，根据匹配算法（如首次适应）寻找合适的块。如果找到一个块，将其分割（可选），并将剩余部分插入到适当的空闲链表中。如果找不到合适的块，则查找下一个更大的大小类的空闲链表，以此类推，直到找到或者向操作系统申请额外的堆内存。在释放一个块时，合并前后相邻的空闲块，并将结果放到相应的空闲链表中。
分离适配方法是一种常见的选择，C 标准库中提供的 GNU malloc 包就是采用的这种方法。这种方法既快速，对内存的使用也很有效率。由于搜索被限制在堆的某个部分而不是整个堆，所以搜索时间减少了。内存利用率也得到了改善，避免大量内部碎片和外部碎片。
伙伴系统
伙伴系统是分离适配的一种特例。它的每个大小类的空闲链表包含大小相等的块，并且大小都是 2 的幂。最开始时，全局只有一个大小为 2m2m 字的空闲块，2m2m 是堆的大小。
假设分配的块的大小都是 2 的幂，为了分配一个大小为 2k2k 的块，需要找到大小恰好是 2k2k 的空闲块。如果找到，则整体分配。如果没有找到，则将刚好比它大的块分割成两块，每个剩下的半块（也叫做伙伴）被放置在相应的空闲链表中，以此类推，直到得到大小恰好是 2k2k 的空闲块。释放一个大小为 2k2k 的块时，将其与空闲的伙伴合并，得到新的更大的块，以此类推，直到伙伴已分配时停止合并。
伙伴系统分配器的主要优点是它的快速搜索和快速合并。主要缺点是要求块大小为 2 的幂可能导致显著的内部碎片。因此，伙伴系统分配器不适合通用目的的工作负载。然而，对于某些特定应用的工作负载，其中块大小预先知道是 2 的幂，伙伴系统分配器就很有吸引力了。
tcmalloc
tcmalloc 是 Google 开发的内存分配器，全称 Thread-Caching Malloc，即线程缓存的 malloc，实现了高效的多线程内存管理。
tcmalloc 主要利用了池化思想来管理内存分配。对于每个线程，都有自己的私有缓存池，内部包含若干个不同大小的内存块。对于一些小容量的内存申请，可以使用线程的私有缓存；私有缓存不足或大容量内存申请时再从全局缓存中进行申请。在线程内分配时不需要加锁，因此在多线程的情况下可以大大提高分配效率。
总结
malloc 使用链表管理内存块。malloc 有多种实现方式，在不同场景下可能会使用不同的匹配算法。
malloc 分配的空间中包含一个首部来记录控制信息，因此它分配的空间要比实际需要的空间大一些。这个首部对用户而言是透明的，malloc 返回的是紧跟在首部后面的地址，即可用空间的起始地址。
malloc 分配的函数应该是字对齐的。在 32 位模式中，malloc 返回的块总是 8 的倍数。在 64 位模式中，该地址总是 16 的倍数。最简单的方式是先让堆的起始位置字对齐，然后始终分配字大小倍数的内存。
malloc 只分配几种固定大小的内存块，可以减少外部碎片，简化对齐实现，降低管理成本。
free 只需要传递一个指针就可以释放内存，空间大小可以从首部读取。
审核编辑：汤梓红
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