malloc/free

malloc工作機制

         malloc函式的實質體現在，它有一個將可 用的記憶體塊連線為一個長長的列表的所謂空閒連結串列。呼叫 malloc 函式時，它沿連線表尋找一個大到足以滿足使用者請求所需要的記憶體塊。然後，將該記憶體塊一分 為二（一塊的大小與使用者請求的大小相等，另一塊的大小就是剩下的位元組）。接下來，將分配給使用者的那塊記憶體傳給使用者，並將剩下的那塊（如果有的話）返回到連 接表上。呼叫 free 函式時，它將使用者釋放的記憶體塊連線到空閒鏈上。到最後，空閒鏈會被切成很多的小記憶體片段，如果這時使用者申請一個大的記憶體片段，那麼空 閒鏈上可能沒有可以滿足使用者要求的片段了。於是， malloc 函式請求延時，並開始在空閒鏈上翻箱倒櫃地檢查各記憶體片段，對它們進行整理，將相鄰的小空閒 塊合併成較大的記憶體塊。

       分配記憶體，在size的基礎上加sizeof(struct mem_control_block)  個位元組。我們主要使用連線的指標遍歷記憶體來尋找開放的記憶體塊。釋放記憶體，將引數指標回退 sizeof(struct mem_control_block)  個位元組，並將其標記為可用的。

C語言是跨平臺的，最終的記憶體處理都是交給系統API完成。系統會記錄每一塊分配記憶體的地址，大小，釋放情況等等。所以malloc只需傳記憶體大小引數，free只需要傳一個地址的引數就可以了。而且同一個地址不能釋放兩次。

debug

debug版本下malloc需要分配的記憶體會比實際的size

_CrtMemBlockHeader是一個雙向連結串列結構，其定義如下：

typedef struct _CrtMemBlockHeader 

{ 

     struct _CrtMemBlockHeader *pBlockHeaderNext;   //下次分配的記憶體塊

     struct _CrtMemBlockHeader *pBlockHeaderPrev;   //上次分配的記憶體塊

     char *szFileName;              //分配記憶體程式碼的檔名

     int nLine;                  //

     size_tnDataSize;               //請求的大小，如例項中的

     int nBlockUse;                 //請求的記憶體型別，如例項中的user型別

     long lRequest;                 //請求id，每次請求都會被記錄

     unsigned char gap[nNoMansLandSize];     //4位元組校驗位

} _CrtMemBlockHeader; 

        使用者請求記憶體前後分別有4位元組的校驗位，分配記憶體後都會被初始化為0xFD。如果這8個位元組被改寫，free時就會觸發斷言失敗。而請求的32位元組會被初始化為0xCC（和棧的初始化一樣）。

       系統通過記錄這些資訊就能顯示的給出錯誤。比如越界訪問請求的記憶體在debug下會斷言失敗，release下面則不會，從而這會給程式埋下巨大的隱患。很多在release下偶發的錯誤就是這樣產生的。_CrtMemBlockHeader總共32位元組，加上使用者請求的32位元組及最後4位元組校驗位是68位元組。最終呼叫系統的API請求記憶體。比如Windows下面是HeapAlloc。

如果記憶體分配失敗，malloc不像new那樣可以呼叫new_handler來處理，它直接返回NULL。

         free則是對_CrtMemBlockHeader的資訊做清理操作，檢查校驗位等等。最終呼叫系統API釋放記憶體。比如Windows下面是HeapFree。

release

實際分配的記憶體等於請求的記憶體大小。malloc和free只是在系統API之上做了些判斷操作。

記憶體碎片

記憶體分配的原理

從作業系統角度來看，程序分配記憶體有兩種方式，分別由兩個系統呼叫完成：brk和mmap（不考慮共享記憶體）。

1、brk是將資料段(.data)的最高地址指標_edata往高地址推；

2、mmap是在程序的虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱為檔案對映區域的地方）找一塊空閒的虛擬記憶體。

     這兩種方式分配的都是虛擬記憶體，沒有分配實體記憶體。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，作業系統負責分配實體記憶體，然後建立虛擬記憶體和實體記憶體之間的對映關係。
在標準C庫中，提供了malloc/free函式分配釋放記憶體，這兩個函式底層是由brk，mmap，munmap這些系統呼叫實現的。

下面以一個例子來說明記憶體分配的原理：

情況一：malloc小於128k的記憶體，使用brk分配記憶體，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應實體記憶體(因此沒有初始化)，第一次讀/寫資料時，引起核心缺頁中斷，核心才分配對應的實體記憶體，然後虛擬地址空間建立對映關係)，如下圖：

1．程序啟動的時候，其（虛擬）記憶體空間的初始佈局如圖1所示。

     其中，mmap記憶體對映檔案是在堆和棧的中間（例如libc-2.2.93.so，其它資料檔案等），為了簡單起見，省略了記憶體對映檔案。_edata指標（glibc裡面定義）指向資料段的最高地址。 
2. 程序呼叫A=malloc(30K)以後，記憶體空間如圖2：

      malloc函式會呼叫brk系統呼叫，將_edata指標往高地址推30K，就完成虛擬記憶體分配。

      你可能會問：只要把_edata+30K就完成記憶體分配了？

      事實是這樣的，_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊記憶體現在還是沒有物理頁與之對應的，等到程序第一次讀寫A這塊記憶體的時候，發生缺頁中斷，這個時候，核心才分配A這塊記憶體對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內容，然後從來不訪問它，那麼，A對應的物理頁是不會被分配的。 
3. 程序呼叫B=malloc(40K)以後，記憶體空間如圖3。

情況二: malloc大於128k的記憶體，使用mmap分配記憶體，在堆和棧之間找一塊空閒記憶體分配(對應獨立記憶體，而且初始化為0)，如下圖：

4、程序呼叫C=malloc(200K)以後，記憶體空間如圖4：

      預設情況下，malloc函式分配記憶體，如果請求記憶體大於128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節），那就不是去推_edata指標了，而是利用mmap系統呼叫，從堆和棧的中間分配一塊虛擬記憶體。

      這樣子做主要是因為brk分配的記憶體需要等到高地址記憶體釋放以後才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的，這就是記憶體碎片產生的原因，什麼時候緊縮看下面），而mmap分配的記憶體可以單獨釋放。

當然，還有其它的好處，也有壞處，再具體下去，有興趣的同學可以去看glibc裡面malloc的程式碼了。 
5、程序呼叫D=malloc(100K)以後，記憶體空間如圖5；
6、程序呼叫free(C)以後，C對應的虛擬記憶體和實體記憶體一起釋放。

7、程序呼叫free(B)以後，如圖7所示：

        B對應的虛擬記憶體和實體記憶體都沒有釋放，因為只有一個_edata指標，如果往回推，那麼D這塊記憶體怎麼辦呢？

當然，B這塊記憶體，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那麼malloc很可能就把B這塊記憶體返回回去了。 
8、程序呼叫free(D)以後，如圖8所示：

        B和D連線起來，變成一塊140K的空閒記憶體。

9、預設情況下：

       當最高地址空間的空閒記憶體超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）時，執行記憶體緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發現最高地址空閒記憶體超過128K，於是記憶體緊縮

malloc/free和new/delete

         malloc  和  new  至少有兩個不同 : new  返回指定型別的指標，並且可以自動計算所需要大小。malloc  只管分配記憶體，並不能對所得的記憶體進行初始化，所以得到的一片新記憶體中，其值將是隨機的。malloc 與 free  是 C++/C  語言的標準庫函式， new/delete  是 C++ 的運算子。它們都可 用於申請動態記憶體和釋放記憶體。 對於非內部資料型別的物件而言，光用maloc/free  無法滿足動態物件的要求。物件 在建立的同時要自動執行建構函式， 物件在消亡之前要自動執行解構函式。由於 malloc/free 是庫函式而不是運算子，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行建構函式和解構函式的任務強加於malloc/free 。 因此C++ 語言需要一個能完成動態記憶體分配和初始化工作的運算子 new ，以及一個 能完成清理與釋放記憶體工作的運算子delete 。注意 new/delete  不是庫函式。如果沒有足夠記憶體空間而導致malloc申請失敗，返回NULL。而new則丟擲std::bad_alloc標準異常，不返回NULL。

malloc和new的區別

1）new 返回指定型別的指標，並且可以自動計算所需要大小。而 malloc 則必須要由我們計算位元組數，並且在返回後強行轉換為實際型別的指標。 　　

2）malloc 只管分配記憶體，並不能對所得的記憶體進行初始化，所以得到的一片新記憶體中，其值將是隨機的。除了分配及最後釋放的方法不一樣以外，通過malloc或new得到指標，在其它操作上保持一致。

有了malloc/free為什麼還要new/delete？

1) malloc與free是C++/C語言的標準庫函式，new/delete是C++的運算子。它們都可用於申請動態記憶體和釋放記憶體。

2) 對於非內部資料型別的物件而言，光用maloc/free無法滿足動態物件的要求。物件在建立的同時要自動執行建構函式，物件在消亡之前要自動執行解構函式。由於malloc/free是庫函式而不是運算子，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行建構函式和解構函式的任務強加於malloc/free。

       因此C++語言需要一個能完成動態記憶體分配和初始化工作的運算子new，以及一個能完成清理與釋放記憶體工作的運算子delete。注意new/delete不是庫函式。

       我們不要企圖用malloc/free來完成動態物件的記憶體管理，應該用new/delete。由於內部資料型別的“物件”沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。

既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什麼C++不把malloc/free淘汰出局呢？

          這是因為C++程式經常要呼叫C函式，而C程式只能用malloc/free管理動態記憶體。