理解 heap --- 实现一个简单的 malloc

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#linux #malloc #heap #内存管理

本文深入解析 Linux 进程的堆内存管理，包括 heap 的结构、brk 和 sbrk 系统调用的作用。并介绍了如何实现一个简单的 malloc 函数，通过列表管理内存块，包含 block 和 block metadata 两部分。

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理解 Heap

  high address   +---------------+
                 |               |
                 |     Stack     |
                 |               |
                 +---------------+
                 |       |       |
                 |       v       |
                 |               |
                 |               |
                 +---------------+
                 |      Mmap     |
                 +---------------+
                 |               |
                 |               |
                 |       ^       |
                 |       |       |
                 +---------------+
                 |               |
                 |     Heap      |
                 |               |
                 +---------------+
                 |     Data      | 
                 +---------------+
                 |     Code      |
  low address    +---------------+

上图是 Linux 进程的地址空间，从低位到高位地址分别为：

  • Code Segment: 程序的代码，CPU 执行的指令部分，共享只读。
  • Data Segment: 可细分为初始化数据段和未初始化数据段，常用于存储全局变量等。
  • Stack: 函数以及自动变量(未加 static 的自动变量又称为局部变量)。
  • Mmap: mmap 调用分配的地址空间。
  • Heap: 动态分配内存，如 malloc() 分配的内存。

本文主要讲解 heap，从上图可知，进程的堆是一段连续的空间，它分为三个区域:

  • Mapped region: 该区域的空间已经在物理地址上分配，可以直接被程序使用。
  • Unmapped region: 该区域的空间未在物理地址上分配，需分配后才可以使用。
  • Unusable region: 不可使用的地址空间，超出 rlimit 的空间都是不可使用的，不同的硬件和操作系统下，rlimit 可能各不相同。

其中 break 和 rlimit 是三个区域的分界线：

  • break: mapped region 和 unmapped region 的分界线，可调用 sbrk(0) 返回当前的 break。
  • rlimit: 堆能分配的最大地址空间，getrlimit(2) 可获取 rlimit。
  • start of heap: 堆的起始地址，当堆上从未开辟空间时，sbrk(0) 返回的就是堆的起始地址，也可在 /proc/{proc_id}/mapping 获取堆的起始地址。
                         Heap

   high address  +-------------------+
                 |                   |
                 |  Unusable Region  |
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