malloc 的底层实现依赖于 C 库，通常使用 ptmalloc（glibc 默认分配器）、tcmalloc（Google）或 jemalloc（FreeBSD 等）等。
下文详细阐述 glibc 的 ptmalloc 机制下的 malloc 的底层实现
基本概念
内存分配器：管理堆内存，处理内存的分配和释放。
块（Chunk）：内存分配的基本单位，每个分配的内存块都有一个头部的元数据。
空闲链表（Free List）：用于管理空闲块，常见的有单向链表和双向链表。
箱（Bins）：用于存放不同大小的空闲块，提高分配效率。
内存布局
在 glibc 中，malloc 管理的内存通常通过 brk 或 mmap 系统调用从操作系统获取。
brk：扩展堆的顶部，用于较小内存分配。
mmap：创建匿名内存映射，用于大内存分配（通常超过 MMAP_THRESHOLD，默认为 128KB）。
块（Chunk）结构
每个内存块（包括已分配和空闲的）都有一个头部的元数据，定义如下：
struct malloc_chunk {
size_t prev_size; /* 前一个块的大小（如果前一个块是空闲的） */
size_t size; /* 当前块的大小和状态标志 */
struct malloc_chunk* fd; /* 双向链表的前驱指针（仅空闲块有效） */
struct malloc_chunk* bk; /* 双向链表的后继指针（仅空闲块有效） */
};prev_size：如果前一个块是空闲的，这个字段存储前一个块的大小；如果前一个块是已分配的，则这个字段可以被前一个块使用（作为用户数据的一部分）。
size：当前块的大小，由于内存对齐，大小的低3位用作标志位：
PREV_INUSE(最低位)：前一个块是否已分配。IS_MMAPPED(次低位)：当前块是否通过mmap分配。NON_MAIN_ARENA(第三位)：是否不属于主分配区。
空闲块管理
空闲块通过双向链表连接，这些链表称为“bins”。ptmalloc 有多种类型的 bins：
Fast bins：单向链表，管理小内存块（默认小于 64B），后进先出，不合并空闲块。
Small bins：双向链表，管理小于 512B 的块，每个 bin 中的块大小相同，先进先出。
Large bins：双向链表，管理大于等于 512B 的块，每个 bin 中的块大小在一个范围内，按大小排序。
Unsorted bin：双向链表，存放刚刚释放的块，用于快速重新分配。
分配流程
小内存分配（< 64B）：
首先在 fast bins 中查找对应大小的空闲块。
如果找到，则取出并返回。
中等内存分配（64B ~ 512B）：
在 small bins 中查找。
如果 small bin 为空，则从 unsorted bin 中查找并分割。
大内存分配（>= 512B）：
在 large bins 中查找最合适的块。
如果找不到，则从更大的 large bin 中分割，或者从 top chunk 分割。
如果上述步骤都失败：
扩展 top chunk（通过
brk或mmap）并从中分配。如果需要分配的内存很大（超过
MMAP_THRESHOLD），则直接使用mmap分配。
释放流程
检查前后块是否空闲，如果空闲则合并，避免碎片。
放入 unsorted bin，以便下次分配时快速重用。
如果块大小适合 fast bin，则放入 fast bin（不合并）。
1. malloc 的基本流程
当调用 malloc(size) 时，底层会执行以下操作：
检查请求大小：
若
size == 0，可能返回NULL或一个特殊指针（依赖实现）。若
size过大（如超过MMAP_THRESHOLD，默认通常为 128KB），直接使用mmap分配。
从空闲内存链表中查找：
在堆内存的空闲块（
free list）中搜索足够大的内存块。使用算法（如
ptmalloc的隐式链表或显式链表）匹配最佳块。
分割或分配新内存：
若找到的块比需求大，可能分割剩余部分放回空闲链表。
若没有足够空间，调用
sbrk或mmap向操作系统申请更多内存。
返回内存地址：
返回分配的内存地址（通常位于堆区），用户可通过指针访问。
2. 底层内存分配方式
malloc 最终依赖两种系统调用分配内存：
(1) brk/sbrk（小内存分配）
原理：通过移动堆顶指针（
program break）扩展堆内存。特点：
适用于小内存请求（如
< 128KB）。分配速度快，但频繁调用可能导致内存碎片。
示例：
c复制代码
void *malloc(size_t size) { if (size <= MMAP_THRESHOLD) { return sbrk(size); // 扩展堆空间 } // ... }
(2) mmap（大内存分配）
原理：直接映射匿名内存页到进程地址空间（不依赖堆）。
特点：
适用于大内存请求（如
>= 128KB）。避免堆碎片，但系统调用开销较大。
示例：
c复制代码
void *malloc(size_t size) { if (size >= MMAP_THRESHOLD) { return mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0); } // ... }
3. 内存管理算法
不同 malloc 实现（如 glibc 的 ptmalloc、jemalloc、tcmalloc）使用不同算法优化性能：
(1) ptmalloc（glibc 默认）
空闲链表（Bins）：
将空闲块按大小分类（如
fast bins、small bins、large bins）。快速匹配小内存请求，减少搜索时间。
线程本地缓存（
tcache）：每个线程维护独立的内存池，避免全局锁竞争。
(2) jemalloc（Facebook/FreeBSD）
多级内存池：
按线程和大小分层管理，减少碎片和锁冲突。
适用于高并发场景。
(3) tcmalloc（Google）
线程缓存 + 全局缓存：
小对象优先从线程缓存分配，大对象走全局堆。
减少锁争用，适合多线程应用。
4. 内存碎片问题
(1) 内部碎片
原因：分配的内存块比实际需求大（如对齐填充）。
示例：请求 10B，但分配 16B（因对齐要求）。
(2) 外部碎片
原因：频繁分配/释放导致内存块分散，无法合并成大块。
解决方案：
合并相邻空闲块（
coalescing）。使用
mmap分配大块内存避免堆碎片。
5. free 的工作原理
调用 free(ptr) 时：
检查指针有效性：若
ptr == NULL，直接返回。判断内存来源：
若来自
mmap，直接调用munmap释放。若来自堆，将内存块标记为空闲并放回链表（可能合并相邻块）。
延迟归还操作系统：
空闲内存可能保留在进程堆中，供后续
malloc复用，而非立即归还系统（通过M_TRIM_THRESHOLD控制）。
6. 性能优化建议
避免频繁小内存分配：
预分配大块内存，自行管理（如对象池）。
选择合适分配器：
多线程应用优先用
jemalloc或tcmalloc。
监控内存使用：
工具：
valgrind、malloc_stats()、pmap。