malloc实现原理探究

       2021年末面试蔚来汽车，面试官考察了malloc/free的实现机制。当时看过相关的文章，有一点印象，稍微说了一点东西，不过自己感到不满意。今天尝试研究malloc的实现细节，看了几篇博文，发现众说纷纭，且实现比较复杂。在此，对malloc的实现机制进行研究，了解其大概的工作机制，没有深究细节。

先说结论：

内存的分配：

可以把内存空间的分配分为两个过程：

1）从操作系统获取到内存，实际获取到的内存一般比进程申请的空间大一些。

2）从申请到的空间中拿出来一部分给到进程。

所以，一般会有部分备用的内存空间。所以，就有了下面的结论。

1.如果进程申请的空间小于备用的空间，则直接把内存分配给进程。

2.如果进程申请的空间大于备用的空间，

1）申请的空间<128KB，通过系统调用brk在现有地址的基础上扩张，即新分配的空间和之前的空间是连续的。

2）申请的空间>128KB，通过mmap在物理内存映射一段空间。

内存的释放：

试验环境：ubuntu虚拟机，gcc:Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1

测试代码：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>typedef unsigned char uint8;int main()
{//step1getchar();uint8* p1 = (uint8*)malloc(127 * 1024 * sizeof(uint8));printf("p1:%p,size:%ld\n", p1, malloc_usable_size(p1));//step2getchar();free(p1);//step3getchar();uint8* p2 = (uint8*)malloc(127 * 1024 * sizeof(uint8));printf("p2:%p,size:%ld\n", p2, malloc_usable_size(p2));//step4getchar();uint8* p3 = (uint8*)malloc(127 * 1024 * sizeof(uint8));printf("p3:%p,size:%ld\n", p3, malloc_usable_size(p2));//step5getchar();uint8* p4 = (uint8*)malloc(500 * 1024 * sizeof(uint8));printf("p4:%p,size:%ld\n", p4, malloc_usable_size(p4));//step6getchar();uint8* p5 = (uint8*)malloc(1024 * sizeof(uint8));printf("p5:%p,size:%ld\n", p5, malloc_usable_size(p5));//step7getchar();free(p5);//step8getchar();free(p4);getchar();return 0;
}

测试方法：

1.通过strace跟踪进程执行的过程。

2.通过cat /proc/PID/maps观察堆区的分配情况。

测试过程和分析：

strace ./a.out
略
brk(NULL)                               = 0x55c726c6e000
brk(0x55c726c8f000)              = 0x55c726c8f000
//进程启动之后，系统自动分配了0x55c726c8f000-0x55c726c6e000，约为400K的内存，这部分内存，是备用的。

//step1:55c726c6e000-55c726c8f000 [heap]
//进程请求分配127K内存，由于系统已有400K空余的内存，够用，所以，直接给进程返回一块内存。起始地址为p1=0x55c726c6e6b0，和预留的起始地址相比，有一定的偏移量
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0), ...}) = 0
write(1, "p1:0x55c726c6e6b0,size:130056\n", 30p1:0x55c726c6e6b0,size:130056
) = 30

//step2:55c726c6e000-55c726c8f000 [heap]
//free(p1),系统只是把这块空间标记为可用的，并没有真正的释放其内存空间。
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1

//step3:55c726c6e000-55c726c8f000 [heap]
//再次请求分配127K的内存，备用的内存空间够用，同step1,直接分配给进程。
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
write(1, "p2:0x55c726c6e6b0,size:130056\n", 30p2:0x55c726c6e6b0,size:130056
) = 30

//step4:55c726c6e000-55c726ccf000 [heap]
//再次请求分配129K的内存空间，之前剩余的备用空间约为400K-127K-127K=146K,不够用了。而且，请求分配的内存<128K，在原来地址的基础上，通过brk扩充内存空间，即和原来的内存是连续的
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
brk(0x55c726ccf000)                     = 0x55c726ccf000
write(1, "p3:0x55c726c8e6d0,size:130056\n", 30p3:0x55c726c8e6d0,size:130056
) = 30

//step5
//55c726c6e000-55c726ccf000 [heap]
//f2b3313f000-7f2b331bd000 
//再次请求分配500K的内存空间，之前剩余的备用空间不够用了,而且，请求分配的内存>128K，通过mmap在物理内存映射一块空间，且和原来的空间是不连续的
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
mmap(NULL, 516096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f2b3313f000
write(1, "p4:0x7f2b3313f010,size:516080\n", 30p4:0x7f2b3313f010,size:516080
) = 28

//step6
//55c726c6e000-55c726ccf000 [heap]
//f2b3313f000-7f2b331bd000 
//同step1
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
<pre>write(1, &quot;p5:0x55c726cae2e0,size:1032\n&quot;, 28p5:0x55c726cae2e0,size:1032</pre>

//step7
//55c726c6e000-55c726ccf000 [heap]
//f2b3313f000-7f2b331bd000 
//同step2
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1

//step8:55c726c6e000-55c726ccf000 [heap]
//通过munmap释放内存
read(0, 
"\n", 1024)                     = 1
munmap(0x7f2b3313f000, 516096)