malloc是如何分配内存的

Posted 2022-08-16 -YIN

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了malloc是如何分配内存的相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

malloc是如何分配内存的

malloc是如何分配内存的
- 什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？
malloc(1) 会分配多大的虚拟内存？
free 释放内存，会归还给操作系统吗？
为什么不全使用`mmap()` 或`brk()`
- `mmap()`
- `brk()`
free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

内容来自小林conding 图解系统

malloc是如何分配内存的

实际上，malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。

malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

● 方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存
● 方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存；

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：

方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图：

什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

● 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
● 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；
注意，不同的 glibc 版本定义的阈值也是不同的。

malloc分配的是虚拟内存，不是物理内存
可参考：Linux 内存管理详解（虚拟内存、物理内存，进程地址空间）

malloc(1) 会分配多大的虚拟内存？

malloc() 在分配内存的时候，并不是老老实实按用户预期申请的字节数来分配内存空间大小，而是会预分配更大的空间作为内存池。

具体会预分配多大的空间，跟 malloc 使用的内存管理器有关系，我们就以 malloc 默认的内存管理器（Ptmalloc2）来分析。

接下里，我们做个实验，用下面这个代码，通过 malloc 申请 1 字节的内存时，看看操作系统实际分配了多大的内存空间。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main() 
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());
  
  //申请1字节的内存
  void *addr = malloc(1);
  printf("此1字节的内存起始地址：%x\\n", addr);
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());
 
  //将程序阻塞，当输入任意字符时才往下执行
  getchar();

  //释放内存
  free(addr);
  printf("释放了1字节的内存，但heap堆并不会释放\\n");
  
  getchar();
  return 0;

执行代码（先提前说明，我使用的 glibc 库的版本是 2.17）：

我们可以通过 /proc//maps 文件查看进程的内存分布情况。我在 maps 文件通过此 1 字节的内存起始地址过滤出了内存地址的范围。

[root@xiaolin ~]# cat /proc/3191/maps | grep d730
00d73000-00d94000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

这个例子分配的内存小于 128 KB，所以是通过 brk() 系统调用向堆空间申请的内存，因此可以看到最右边有 [heap] 的标识。

可以看到，堆空间的内存地址范围是 00d73000-00d94000，这个范围大小是 132KB，也就说明了 malloc(1) 实际上预分配 132K 字节的内存。

可能有的同学注意到了，程序里打印的内存起始地址是 d73010，而 maps 文件显示堆内存空间的起始地址是 d73000，为什么会多出来 0x10 （16字节）呢？这个问题，我们先放着，后面会说。

free 释放内存，会归还给操作系统吗？

我们在上面的进程往下执行，看看通过 free() 函数释放内存后，堆内存还在吗？

从下图可以看到，通过 free 释放内存后，堆内存还是存在的，并没有归还给操作系统。

这是因为与其把这 1 字节释放给操作系统，不如先缓存着放进 malloc 的内存池里，当进程再次申请 1 字节的内存时就可以直接复用，这样速度快了很多。

当然，当进程退出后，操作系统就会回收进程的所有资源。

上面说的 free 内存后堆内存还存在，是针对 malloc 通过 brk() 方式申请的内存的情况。
如果 malloc 通过 mmap 方式申请的内存，free 释放内存后就会归归还给操作系统。

我们做个实验验证下，通过 malloc 申请 128 KB 字节的内存，来使得 malloc 通过 mmap 方式来分配内存。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main() 
  //申请1字节的内存
  void *addr = malloc(128*1024);
  printf("此128KB字节的内存起始地址：%x\\n", addr);
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());

  //将程序阻塞，当输入任意字符时才往下执行
  getchar();

  //释放内存
  free(addr);
  printf("释放了128KB字节的内存，内存也归还给了操作系统\\n");

  getchar();
  return 0;