malloc底层原理学习
本文主要整理我最近搜集到的各路资料，看了别人的代码并且加上一些个人的理解。
首先先重新审视堆这个数据结构。
在程序中，堆用于动态分配和释放程序所使用的对象。在以下情况中调用堆操作：
1.事先不知道程序所需对象的数量和大小。
2.对象太大，不适合使用堆栈分配器。
堆使用运行期间分配给代码和堆栈以外的部分内存。
然后是虚拟存储器：
基于局部性原理，应用程序在运行之前，没有必要全部装入内存，仅须将那些当前要运行的部分页面或段先装入内存便可运行，其余部分暂留在盘上。
所谓虚拟存储器：是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统，其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。
使用过c语言的都知道malloc是一个动态分配内存的函数，还可以通过free释放内存空间。malloc 函数返回一个指针，指向大小(至少)为 size 字节的存储器块，这个块可能会包含在这个块内的任何数据对象类型做对齐。
malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址，当无法知道内存具体位置的时候，想要绑定真正的内存空间，就需要用到动态的分配内存。动态存储器分配器维护着一个进程的虚拟存储器区域，称为堆。
这个函数要实现的功能是在系统中分配一段连续的可用的内存，具体有如下要求：malloc分配的内存大小至少为size参数所指定的字节数malloc的返回值是一个指针，指向一段可用内存的起始地址多次调用malloc所分配的地址不能有重叠部分，除非某次malloc所分配的地址被释放掉malloc应该尽快完成内存分配并返回（不能使用NP-hard的内存分配算法）实现malloc时应同时实现内存大小调整和内存释放函数（即realloc和free）
对于malloc更多的说明可以在命令行中键入以下命令查看：
如果我们想分析一下malloc的源码，这其实不是一会就能看懂的，但是我们可以讨论一下malloc的简单实现。
为什么要自己编写malloc（）函数：在嵌入式编程中，内存的大小都是有限的，考虑到成本问题，我们尽量包含少一点的函数库，减小不必要的浪费。
成功时，返回所分配存储空间的起始地址；返回值类型为void*,在C语言中可以把void*直接付给具体的类型，但是在C++中必须进行强制类型转换
失败时(内存不足时)返回NULL
size为0时，返回的指针不是NULL；但是除了free，别的地方不要使用这个指针。
malloc实际分配的内存会大于我们需要的size。主要由两方面因素决定：
1、字节对齐。会对齐到机器最受限的类型（具体的实现因机器而异）。
2、“块头部信息”。每个空闲块都有“头部”控制信息，其中包含一个指向链表中下一个块的指针、当前块的大小和一个指向本身的指针。为了简化块对齐，所有块的大小都必须是头部大小的整数倍，且头部已正确对齐。
以下为《C程序设计语言》中给出的通过union进行的头部实现，其中假定机器的受限类型为long。
说明：
（1）实际分配的内存块将多一个单元，用于头部本身。实际分配的块的大小被记录在头部的size字段中。
（2）size字段是必须的，因为malloc函数控制的块不一定是连续的，这样就不能通过指针算术运算计算其大小。
（3）malloc返回的是空闲块的首地址，而不是首地址。
malloc/free的实现过程：
1、空闲存储空间以空闲链表的方式组织（地址递增），每个块包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身存储空间的指针。（ 因为程序中的某些地方可能不通过malloc调用申请，因此malloc管理的空间不一定连续。）
2、当有申请请求时，malloc会扫描空闲链表，直到找到一个足够大的块为止（首次适应）(因此每次调用malloc时并不是花费了完全相同的时间）。
3、如果该块恰好与请求的大小相符，则将其从链表中移走并返回给用户。如果该块太大，则将其分为两部分，尾部的部分分给用户，剩下的部分留在空闲链表中（更改头部信息）。因此malloc分配的是一块连续的内存。
4、释放时，首先搜索空闲链表，找到可以插入被释放块的合适位置。如果与被释放块相邻的任一边是一个空闲块，则将这两个块合为一个更大的块，以减少内存碎片。
malloc：
free：
这里仅仅讨论了c语言的具体实现，还有一些ptmalloc、tcmalloc和jemalloc还没讨论，有时间会写相关的。
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