一文详解 malloc / free 分配内存和释放内存相关问题
一文详解 malloc / free 分配内存和释放内存相关问题
malloc和free是C语言中用于动态内存管理的两个核心函数。本文将深入探讨malloc如何分配内存、为什么采用brk和mmap两种方式、以及free函数如何释放内存等关键问题。通过本文，你将对C语言的内存管理机制有更深入的理解。
malloc 如何分配内存？
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。在Linux操作系统中，malloc会采用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：
方式二则是通过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，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128KB，则通过brk()申请内存；
- 如果用户分配的内存大于128KB，则通过mmap()申请内存；
看看man手册怎么说
Normally, malloc() allocates memory from the heap, and adjusts the size of the heap as required, using sbrk(2). When allocating blocks of memory larger than MMAP_THRESHOLD bytes, the glibc malloc() implementation allocates the memory as a private anonymous mapping using mmap(2).MMAP_THRESHOLD is 128 kB by default, but is adjustable using mallopt(3). Prior to Linux 4.7 allocations performed using mmap(2) were unaffected by the RLIMIT_DATA resource limit; since Linux 4.7, this limit is also enforced for allocations performed using mmap(2).
通常，malloc()从堆中分配内存，并使用sbrk(2)根据需要调整堆的大小。分配内存块时大于MMAP_THRESHOLD字节，glibcmalloc()实现使用mmap(2)将内存分配为私有匿名映射。MMAP_THRESHOLD默认为128kB，但可以使用mallopt(3)进行调整。在Linux4.7之前，使用mmap(2)执行的分配不受影响。RLIMIT_DATA资源限制；自Linux4.7以来，对于使用mmap（2）执行的分配也强制执行了此限制。
malloc 分配的是物理内存吗？
malloc()分配的是虚拟内存。如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。
只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
malloc 为什么不全部使用 mmap 来分配内存？
因为向操作系统申请内存，是要通过系统调用的，执行系统调用是要进入内核态的，然后在回到用户态，运行态的切换会耗费不少时间。
所以，申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用mmap来分配内存，等于每次都要执行系统调用。
另外，因为mmap分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次mmap分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。
也就是说，频繁通过mmap分配内存，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致CPU消耗较大。
为了改进这两个问题，malloc通过brk()系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。
等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低CPU的消耗。
malloc 为什么不全部使用 brk 来分配内存？
通过brk从堆空间分配的内存，释放后不会归还给操作系统，那么我们那考虑这样一个场景。
如果我们连续申请了10k，20k，30k这三片内存，如果10k和20k这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。
但是如果下次申请的内存大于30k，没有可用的空闲内存空间，必须向OS申请，实际使用内存继续增大。
因此，随着系统频繁地malloc(brk)和free，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片。
所以，malloc实现中，充分考虑了brk和mmap行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存(128KB)才使用mmap分配内存空间。
free 释放内存，会立即归还给操作系统吗？
- malloc通过brk()方式申请的内存，free释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在malloc的内存池中，下次申请内存时若大小符合，将直接分配这段此前释放掉的内存，以提高内存申请的效率；
- malloc通过mmap()方式申请的内存，free释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。
free 函数只传入一个内存地址，为什么会知道要释放多大的内存？
使用malloc申请内存时，会在malloc返回的地址之前分配一部分内存用来存放内存块的描述信息，里面包含该内存块的大小等。
这样当执行free函数时，free会对传入进来的内存地址向左偏移，然后从这段内存信息块里分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。
本文原文来自CSDN