linux-malloc底层实现原理

本文大致讲解一下linux下malloc的底层实现原理。

首先malloc肯定是从堆中分配内存，而堆又在用户空间中占据什么位置？通过下面这张图可以看出来：

很明显是32位系统，寻址空间是4G，linux系统下0-3G是用户模式，3-4G是内核模式。而在用户模式下又分为代码段、数据段、.bss段、堆、栈。各个segment所含内容在图中有具体说明。

其中bss段：存放未初始化的全局变量和局部静态变量。数据段：存放已经初始化的全局变量和局部静态变量。至于局部变量存放在栈中。

可以看到heap段位于bss下方，而其中有个重要的标志：program break。Linux维护一个break指针，这个指针指向堆空间的某个地址。从堆起始地址到break之间的地址空间为映射好的，可以供进程访问；而从break往上，是未映射的地址空间，如果访问这段空间则程序会报错。我们用malloc进行内存分配就是从break往上进行的。

进程所面对的虚拟内存地址空间，只有按页映射到物理内存地址，才能真正使用。受物理存储容量限制，整个堆虚拟内存空间不可能全部映射到实际的物理内存。Linux对堆的管理示意如下：

　　

获取了break地址，也就是内存申请的初始地址，下面是malloc的整体实现方案：

malloc 函数的实质是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，它沿着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（一块的大小与用户申请的大小相等，另一块的大小就是剩下来的字节）。 接下来，将分配给用户的那块内存存储区域传给用户，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表上。 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， 那么空闲链表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，并开始在空闲链表上检查各内存片段，对它们进行内存整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。