malloc 函数背后的实现原理——内存池

相对于栈而言，堆这片内存面临着一个稍微复杂的行为模式：在任意时刻，程序可能发出请求，要么申请一段内存，要么释放一段已经申请过的内存，而且申请的大小从几个字节到几个 GB 都有可能，我们不能假设程序一次申请多少堆空间，因此，堆的管理显得较为复杂。 那么，使用 malloc() 在堆上分配内存到底是如何实现的呢？

一种做法是把 malloc() 的内存管理交给系统内核去做，既然内核管理着进程的地址空间，那么如果它提供一个系统调用，可以让 malloc() 使用这个系统调用去申请内存，不就可以了吗？当然这是一种理论上的做法，但实际上这样做的性能比较差，因为每次程序申请或者释放堆空间都要进行系统调用。我们知道系统调用的性能开销是比较大的，当程序对堆的操作比较频繁时，这样做的结果会严重影响程序的性能。

比较好的做法就是 malloc() 向操作系统申请一块适当大小的堆空间，然后由 malloc() 自己管理这块空间。

malloc() 相当于向操作系统“批发”了一块较大的内存空间，然后“零售”给程序用。当全部“售完”或程序有大量的内存需求时，再根据实际需求向操作系统“进货”。当然 malloc() 在向程序零售堆空间时，必须管理它批发来的堆空间，不能把同一块地址出售两次，导致地址的冲突。于是 malloc() 需要一个算法来管理堆空间，这个算法就是堆的分配算法。

malloc()和 free()的分配算法

在程序运行过程中，堆内存从低地址向高地址连续分配，随着内存的释放，会出现不连续的空闲区域，如下图所示：