malloc的原理

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本文详细介绍了malloc在Linux系统中的工作原理，包括如何在堆上分配空间，通过brk和sbrk系统调用调整break指针，以及malloc如何管理空闲链表。malloc分配的空间是Header的整数倍并额外包含Header，首次调用时建立退化的空闲链表，返回给用户的指针指向块内存储空间。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1、malloc实现

在malloc分配空间时是在Heap上分配的，实质上，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。

要增加一个进程实际的可用堆大小，就需要将break指针向高地址移动。Linux通过brk和sbrk系统调用操作break指针。

int brk(void *addr);  
void *sbrk(intptr_t increment);

brk将break指针直接设置为某个地址，而sbrk将break从当前位置移动increment所指定的增量。brk在执行成功时返回0，否则返回-1并设置errno为ENOMEM；sbrk成功时返回break移动之前所指向的地址，否则返回(void *)-1。如果将increment设置为0，则可以获得当前break的地址。

typedef union header Header;  
static Header base;/*从空链表开始*/  
static Header *freep = NULL;/*空闲链表的初始指针*/

#define NALLOC 1024    /* 最小申请单元数 */

static Header *morecore(unsigned nu)

{  
    char *cp;  
    Header *up;  
    if(nu < NALLOC)  
        nu = NALLOC;  
    cp = sbrk(nu * sizeof(Header));  
    if(cp == (char *)-1)    /* 没有空间*/  
        return NULL;  
    up = (Header *)cp;  
    up->s.size = nu;  
    free((void *)(up+1));  
    return freep;  
}

void *malloc(unsigned nbytes)
{ 
   Header *p, *prevp; Header *morecore(unsigned); 
   unsigned nunits; 
   nunits = (nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header) + 1; 
   if((prevp = freep) == NULL) /* 没有空闲链表 */ 
   { 
	  base.s.ptr = freep = prevp = &base; 
	  base.s.size = 0;	  
   } 
   for(p = prevp->s.ptr; ;prevp = p, p= p->s.ptr) 
   { 
       if(p->s.size >= nunits) /* 足够大 */ 
	   { 
	      if (p->s.size == nunits) /* 正好 */ 
		    prevp->s.ptr = p->s.ptr;
		  else /*分配末尾部分*/
		  { 
		     p->s.size -= nunits; 
			 p += p->s.size; 
			 p->s.size = nunits;
		  } 
	     freep = prevp;
		 return (void*)(p+1); 
	  } if (p== freep) /* 闭环的空闲链表*/ 
	  if ((p = morecore(nunits)) == NULL) 
	  return NULL; /* 没有剩余的存储空间 */ 
	} 
}

（1）malloc实际分配的空间是Header大小的整数倍，并且多出一个Header空间用于放置Header

（2）式nunits = (nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header) + 1中的减1是为了防止(nbytes+sizeof(Header))%sizeof(Header) == 0时，多分配了一个Header大小的空间

（3）第一次调用malloc函数时，freep为NULL，系统将创建一个退化的空闲链表，它只包含一个大小为0的块，且该块指向自己。任何时候，当请求空闲空间时，都将搜索空闲块链表。搜索从上一次找到空闲块的地方（freep）开始。该策略可以保证链表是均匀的。如果找到的块太大，则将其尾部返回给用户，这样，初始块的头部只需要修改size字段即可。

（4）任何时候，返回给用户的指针都指向块内的空闲存储空间，即比指向头部的指针大一个单元。

（5）sbrk不是系统调用，是C库函数。sbrk/brk是从堆中分配空间，本质是移动一个位置，向后移就是分配空间，向前移就是释放空间，sbrk用相对的整数值确定位置，如果这个整数是正数，会从当前位置向后移若干字节，如果为负数就向前若干字节。在任何情况下，返回值永远是移动之前的位置。在LINUX中sbrk(0)能返回比较精确的虚拟内存使用情况。