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C语言程序中，我们一般是使用glibc库中的malloc()/free()库函数从heap或者mmap中分配和释放内存。

C++ 编程中的new和delete运算符最终也是使用malloc()/free()来分配和释放内存。

(See gcc-4.4.7\libstdc++-v3\libsupc++\new_op.cc, del_op.cc)。

1 内存布局（Linux X86_64）

X86_64下Linux 进程的内存布局如下图所示：

相应的内核代码如下：

File arch\x86\include\asm\Processor.h/*User space process size. 47bits minus one guard page.*/#define TASK_SIZE_MAX	((1UL << 47) - PAGE_SIZE)#define TASK_SIZE  (test_thread_flag(TIF_ADDR32) ?                                 IA32_PAGE_OFFSET : TASK_SIZE_MAX)#define STACK_TOP		TASK_SIZE/*This decides where the kernel will search for a free chunk of vm space during mmap's.*/#define TASK_UNMAPPED_BASE	(PAGE_ALIGN(TASK_SIZE / 3))# cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space  2   0 - Turn the process address space randomization off   1 - Make the addresses of mmap base, stack and VDSO page randomized   2 - Additionally enable heap randomizationSYSCALL_DEFINE3(execve,		const char __user *, filename,		const char __user *const __user *, argv,		const char __user *const __user *, envp){	struct filename *path = getname(filename);	int error = PTR_ERR(path);	if (!IS_ERR(path)) {		error = do_execve(path->name, argv, envp);		putname(path);	}	return error;}

 一般情况下， 应用程序并不是直接从操作系统分配内存，而是通过glibc库来进行内存分配。

glibc中使用的内存分配器是ptmalloc2 。

下面就讲一下ptmalloc2是如何工作的。

2 ptmalloc2的设计

2.1 Chunk 

struct malloc_chunk {}

chunk指针: 指向一个chunk的开始，一个chunk中包含了用户请求的内存区域和相关的控制信息.

mem指针: 真正返回给用户的内存指针。

P: 表示前一个chunk是否在使用中，P为0则表示前一个chunk为空闲，这时 chunk的第一个域prev_size才有效，prev_size表示前一个chunk的size，程序可以使用这个值来找到前一个chunk的开始地址。当P为1时，表示前一个chunk正在使用中，prev_size无效。

M: 表示该chunk是从哪个内存区域获得的虚拟内存。1表示从mmap映射区域分配的，否则是从heap区域分配的。

A: 表示该chunk属于主分配区或者非主分配区，1:非主分配区, 0:主分配区

当chunk空闲时，原本是用户数据区的地方存储了四个指针，fd指向后一个空闲的chunk，bk指向前一个空闲的chunk，这两个指针将大小相近的chunk连成一个双向链表。对于large bin中的空闲chunk，还有两个指针，fd_nextsize和bk_nextsize，这两个指针用于加快在large bin中查找最近匹配的空闲chunk。不同的chunk链表又是通过bins或者fastbins来组织的

Used chunk结构：

Free chunk 结构：

 2.2 Arena/Bins

Struct malloc_state {

     mfastbinptr      fastbinsY[NFASTBINS]; /* Fastbins */ （Array size = 10, <=160 B）

     mchunkptr      top; /*top chunk*/

     mchunkptr        last_remainder;/*remainder chunk*/

     mchunkptr        bins[NBINS * 2 - 2]; /* Normal bins*/

}

ptmalloc将相似大小的chunk用双向链表链接起来，这样的一个链表被称为一个bin。Ptmalloc一共维护了128个bin，并使用一个数组来存储这些bin.

small bins：数组第2-63的前62个bin，同一个small bin中的chunk具有相同的大小。两个相邻的small bin中的chunk大小相差8bytes(x86_64 is 16 bytes.), size < 1024 B。

large bins：Small bins后面的bin(64-126)。large bins中的每一个bin分别包含了一个给定范围内的chunk，其中的chunk按大小序排列。按“smallest-first，best-fit”原则在空闲large bins中查找合适的chunk。

fastbins:不大于max_fast(默认值为128B)的chunk被释放后，首先会被放到fast bins 中，fast bins中的chunk并不改变它的使用标志P。这样也就无法将它们合并，当需要给用户分配的chunk小于或等于max_fast时，ptmalloc首先会在fast bins中查找相应的空闲块，然后才会去查找bins中的空闲chunk。

unsorted bin：数组中的第一个。如果被用户释放的chunk大于max_fast，或者fast bins中的空闲chunk合并后，这些chunk首先会被放到unsorted bin队列中，在进行malloc操作的时候，如果在fast bins中没有找到合适的chunk，则ptmalloc会先在unsorted bin中查找合适的空闲chunk，然后才查找bins。如果unsorted bin不能满足分配要求。malloc便会将unsorted bin中的chunk加入bins中。然后再从bins中继续进行查找和分配过程。

2.3 top chunk对于主分配区和非主分配区是不一样的:

非主分配区: 会预先从mmap区域分配一块较大的空闲内存模拟sub-heap，通过管理sub-heap来响应用户的需求.

内存是按地址从低向高进行分配的，在空闲内存的最高处，必然存在着一块空闲chunk，叫做top chunk。当bins和fast bins都不能满足分配需要的时候，ptmalloc会设法在top chunk中分出一块内存给用户，如果top chunk本身不够大，分配程序会重新分配一个sub-heap，并将top chunk迁移到新的sub-heap上，新的sub-heap与已有的sub-heap用单向链表连接起来，然后在新的top chunk上分配所需的内存以满足分配的需要。Top chunk的大小随着分配和回收不停变换。如果在free时回收的内存大于某个阈值，并且top chunk的大小也超过了收缩阈值，ptmalloc会收缩sub-heap，如果top-chunk包含了整个sub-heap，ptmalloc会调用munmap把整个sub-heap的内存返回给操作系统。

主分配区:是进程heap区域的分配区，它可以通过sbrk()来增大或是收缩进程heap的大小，ptmalloc在开始时会预先分配一块较大的空闲内存，主分配区的top chunk在第一次调用malloc时会分配一块(chunk_size + 128KB) align 4KB大小的空间作为初始的heap，用户从top chunk分配内存时，可以直接取出一块内存给用户。在回收内存时，回收的内存恰好与top chunk相邻则合并成新的top chunk，当该次回收的空闲内存大小达到某个阈值，并且top chunk的大小也超过了收缩阈值，会执行内存收缩，减小top chunk的大小，但至少要保留一个页大小的空闲内存，从而把内存归还给操作系统。如果向主分配区的top chunk申请内存，而top chunk中没有空闲内存，ptmalloc会调用sbrk()将的进程heap的边界brk上移，然后修改top chunk的大小。

mmaped chunk：

当需要分配的chunk足够大，而且fast bins和bins都不能满足要求，甚至top chunk本身也不能满足分配需求时，ptmalloc会使用mmap来直接使用内存映射来将页映射到进程空间。这样分配的chunk在被free时将直接解除映射，于是就将内存归还给了操作系统，再次对这样的内存区的引用将导致segmentation fault错误。这样的chunk也不会包含在任何bin中。

Last remainder chunk：

Last remainder是另外一种特殊的chunk。当需要分配一个small chunk，但在small bins中找不到合适的chunk，如果last remainder chunk的大小大于所需的small chunk大小，last remainder chunk被分裂成两个chunk，其中一个chunk返回给用户，另一个chunk变成新的last remainder chunk。如果分配的chunk是在large bins中的chunk split 之后的到的， split之后剩下的chunk会被加到unsorted chunk中，同时如果分配的chunk size在small chunk之内，split之后剩下的chunk还会被赋值给Last remainder.

malloc()和free()的代码位置如下：

glibc-2.15\malloc\malloc.cstatic struct malloc_state main_arena =  {    .mutex = MUTEX_INITIALIZER,    .next = &main_arena  };malloc()  -> void* public_mALLOc(size_t bytes)Free()-> void public_fREe(void* mem)

3 malloc（）的流程图

4 Free（）的流程图

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