malloc，free 实现原理和机制

malloc（）函数的工作机制

       malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。

          申请的时候实际上占用的内存要比申请的大。因为超出的空间是用来记录对这块内存的管理信息

       大多数实现所分配的存储空间比所要求的要稍大一些，额外的空间用来记录管理信息——分配块的长度，指向下一个分配块的指针等等。这就意味着如果写过一个已分配区的尾端，则会改写后一块的管理信息。这种类型的错误是灾难性的，但是因为这种错误不会很快就暴露出来，所以也就很难发现。将指向分配块的指针向后移动也可能会改写本块的管理信息。
记录管理信息的数据结构

struct mem_control_block {
int is_available;
int size;
};

在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：
void *malloc (long numbytes)：该函数负责分配 numbytes大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。
void free(void *firstbyte)：如果给定一个由先前的 malloc返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。
malloc_init将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：

1. 分配程序的全局变量
int has_initialized = 0;
void *managed_memory_start;
void *last_valid_address;
如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者 当前中断点。在很多 UNIX系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用 sbrk(0) 函数。 sbrk根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数 0 只是返回当前中断点。

2. 分配程序初始化函数

void malloc_init()
{

last_valid_address = sbrk(0);

managed_memory_start = last_valid_address;

has_initialized = 1;
}

3.记录管理信息的数据结构

struct mem_control_block {
int is_available;
int size;
};

4. 解除分配函数

void free(void *firstbyte) {
struct mem_control_block *mcb;

mcb = firstbyte - sizeof(struct mem_control_block);

mcb->is_available = 1;

return;
}

5. 主分配程序

void *malloc(long numbytes) {
   
    void *current_location;
   
    struct mem_control_block *current_location_mcb;
   
    void *memory_location;
   
    if(! has_initialized) {
        malloc_init();
    }
   
    numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block);
   
    memory_location = 0;
   
    current_location = managed_memory_start;
   
    while(current_location != last_valid_address)
    {
       
        current_location_mcb =
            (struct mem_control_block *)current_location;
        if(current_location_mcb->is_available)
        {
            if(current_location_mcb->size >= numbytes)
            {
               
               
                current_location_mcb->is_available = 0;
               
                memory_location = current_location;
               
                break;
            }
        }
       
        current_location = current_location +
            current_location_mcb->size;
    }
   
    if(! memory_location)
    {
       
        sbrk(numbytes);
       
        memory_location = last_valid_address;
       
        last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
       
        current_location_mcb = memory_location;
        current_location_mcb->is_available = 0;
        current_location_mcb->size = numbytes;
    }
   
   
    memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block);
   
    return memory_location;
}

以上总结来源：http://baike.baidu.com/view/736228.htm