1. 本文将讨论：
2. ptmalloc的分配和释放在系统里的操作
3. ptmalloc的初始化
4. 子线程的malloc和free
5. ptmalloc的内存暴增以及解决思路
6. 内存池的优缺点
ptmalloc的分配和释放在系统里的操作
本文以32系统为例。
Glibc分配算法如下：
l 小于等于 64 字节：用 pool 算法分配。
l 64 到 512 字节之间：在最佳匹配算法分配和 pool 算法分配中取一种合适的。
l 大于等于 512 字节：用最佳匹配算法分配。
l 大于等于 mmap 分配阈值（默认值 128KB）： 根据设置的 mmap 的分配策略进行分配，
如果没有开启 mmap 分配阈值的动态调整机制，大于等于 128KB 就直接调用 mmap
Ptmalloc分配算法如下：
1) 获取分配区的锁， 为了防止多个线程同时访问同一个分配区， 在进行分配之前需要取得分配区域的锁。线程先查看线程私有实例中是否已经存在一个分配区，如果存在尝试对该分配区加锁，如果加锁成功，使用该分配区分配内存，否则，该线程搜索分配区循环链表试图获得一个空闲（没有加锁） 的分配区。如果所有的分配区都已经加锁，那么 ptmalloc 会开辟一个新的分配区，把该分配区加入到全局分配区循环链表和线程的私有实例中并加锁，然后使用该分配区进行分配操作。 开辟出来的新分配区一定为非主分配区，因为主分配区是从父进程那里继承来的。开辟非主分配区时会调用 mmap()创建一个 sub-heap，并设置好 top chunk。
2) 将用户的请求大小转换为实际需要分配的 chunk 空间大小。
3) 判断所需分配 chunk的大小是否满足chunk_size <= max_fast (max_fast默认为 64B)，如果是的话，则转下一步，否则跳到第5步。
4) 首先尝试在fast bins中取一个所需大小的chunk分配给用户。如果可以找到，则分配结束。否则转到下一步。
5) 判断所需大小是否处在small bins中，即判断chunk_size < 512B是否成立。 如chunk大小处在small bins中，则转下一步，否则转到第6步。
6) 根据所需分配的chunk的大小，找到具体所在的某个small bin，从该 bin 的尾部摘取一个恰好满足大小的 chunk。若成功，则分配结束，否则转到下一步。
7) 到了这一步，说明需要分配的是一块大的内存，或者small bins中找不到合适的chunk。于是，ptmalloc首先会遍历fast bins中的chunk，将相邻的chunk 进行合并，并链接到unsorted bin中，然后遍历unsorted bin中的 chunk，如果unsorted bin只有一个chunk，并且这个chunk在上次分配时被使用过，并且所需分配的chunk大小属于small bins，并且chunk的大小大于等于需要分配的大小，这种情况下就直接将该chunk进行切割，分配结束，否则将根据chunk的空间大小将其放入smallbins或是large bins中，遍历完成后，转入下一步。
8) 到了这一步，说明需要分配的是一块大的内存，或者small bins和unsorted bin中都找不到合适的chunk，并fast bins和unsorted bin中所有的chunk都清除干净了。从large bins中按照“smallest-first，best-fit”原则，找一个合适的 chunk，从中划分一块所需大小的 chunk，并将剩下的部分链接回到 bins 中。若操作成功，则分配结束，否则转到下一步。
9) 如果搜索fast bins和bins都没有找到合适的chunk，那么就需要操作topchunk来进行分配了。判断top chunk的大小是否满足所需chunk的大小，如果是，则从top chunk中分一块出来，否则进行下一步
10) 到了这一步，说明top chunk也不能满足分配要求，所以，于是就有了两个选择: 如果是主分配区，调用sbrk()，增加top chunk大小；如果是非主分配区，调用mmap来分配一个新的sub-heap增加top chunk大小；或者使用mmap()来直接分配。在这里，需要依靠chunk的大小来决定到底使用哪种方法。判断所需分配的 chunk大小是否大于等于mmap分配阈值，如果是的话，则转下一步调mmap分配，否则跳到第 12 步，增加top chunk的大小。
11) 使用mmap系统调用为程序的内存空间映射一块chunk_size align 4kB 大小的空间。然后将内存指针返回给用户。判断是否为第一次调malloc若是主分配区，则需要进行一次初始化工作，分配一块大小为(chunk_size + 128KB) align 4K大小的空间作为初始的heap。若已经初始化过了，主分配区则调用sbrk()增加heap空间分主分配区则在top chunk中切割出一个chunk，使之满足分配需求，并将内存指针返回给用户。
一张图概括malloc过程：
ptmalloc回收算法描述：
free()函数接受一个指向分配区域的指针作为参数，释放该指针所指向的chunk。而具体的释放方法则看该chunk所处的位置和该chunk的大小。工作步骤如下：
1. free()函数同样首先需要获取分配区的锁，来保证线程安全。
2. 判断传入的指针是否为0，如果为0，则什么都不做，直接 return。否则转下一步。
3. 判断所需释放的 chunk 是否为 mmaped chunk，如果是，则调用 munmap()释放
mmaped chunk，解除内存空间映射，该该空间不再有效。如果开启了 mmap 分配
阈值的动态调整机制，并且当前回收的 hunk大小大于mmap分配阈值，将map分配阈值设置为该chunk的大小，将mmap收缩阈值设定为mmap分配阈值的2倍，释放完成，否则跳到下一步
4. 判断chunk的大小和所处的位置，若 chunk_size <= max_fast，并且chunk并不位于heap 的顶部，也就是说并不与top chunk相邻，则转到下一步，否则跳到第6步。（因为与top chunk相邻的小chunk也和top chunk进行合并，所以这里不仅需要判断大小，还需要判断相邻情况）
5. 将chunk放到 fast bins 中，chunk放入到fast bins中时，并不修改该chunk使用状态位 P。也不与相邻的chunk进行合并。只是放进去，如此而已。这一步做完之后释放便结束了，程序从free()函数中返回。
6. 判断前一个chunk是否处在使用中，如果前一个块也是空闲块，则合并。并转下一步。
7. 判断当前释放chunk的下一个块是否为top chunk，如果是，则转第9步，否则转下一步。
8. 判断下一个chunk是否处在使用中，如果下一个chunk也是空闲的，则合并，并将合并后的chunk放到unsorted bin中。注意，这里在合并的过程中，要更新chunk的大小，以反映合并后的chunk的大小。并转到第10步
9. 如果执行到这一步，说明释放了一个与top chunk相邻的chunk。则无论它有多大，
都将它与top chunk合并，并更新top chunk的大小等信息。转下一步。
10. 判断合并后的chunk的大小是否大于FASTBIN_CONSOLIDATION_THRESHOLD（默认
64KB），如果是的话，则会触发进行fast bins的合并操作，fast bins中的chunk将被遍历，并与相邻的空闲chunk进行合并，合并后的chunk会被放到unsorted bin中fast bins将变为空，操作完成之后转下一步。
11. 判断 top chunk 的大小是否大于mmap收缩阈值（默认为 128KB），如果是的话， 对于主分配区，则会试图归还top chunk中的一部分给操作系统。但是最先分配的128KB 空间是不会归还的，ptmalloc会一直管理这部分内存，用于响应用户的分配请求；如果为非主分配区，会进行sub-heap 收缩，将top chunk的一部分返回给操作系统，如果top chunk为整个sub-heap，会把整个sub-heap还回给操作系统。做完这一步之后，释放结束，free()函数退出。可以看出，收缩堆的条件是当前free的chunk大小加上前后能合并chunk的大小大于64k，并且要top chunk的大小要达到mmap收缩阈值，才有可能收缩堆。
一张图概括free过程：
ptmalloc的初始化：
ptmalloc的初始化发生在进程的第一个内存分配请求。但是ptmalloc的初始化一般都在用户第一次调用malloc之前。因为操作系统和glibc库为进程的初始化做了不少工作，在用户分配内存之前，glibc已经分配了多次内存。
在ptmalloc中的malloc函数的实际接口是public_mALLOc(),这个函数将执行一个__malloc_hook()函数。在进程初始化的时候__malloc_hook指向的函数为malloc_hook_ini().
简单来说，ptmalloc的初始化将调用一个函数，函数里会执行创建ptmalloc的函数。这个函数首先检查全局变量，查看是否已经初始化，接着为多线程版本的ptmalloc的pthread做准备。接着初始化全局锁，设置当前进程在fork时处理锁的回调函数，最后从环境变量读取参数值。
子线程里的malloc和free：
当某一线程需要调用malloc分配内存空间的时候，该线程将先查看线程私有变量里是否已经存在分配区。如果存在，尝试加锁。加锁有可能成功也有可能失败（分配区有很大可能是若干个子线程公用一个分配区）。如果成功，则使用该分配区分配内存。如果失败，则搜索记录分配区的循环链表师徒获得空闲的分配区。如果找到，则分配内存。如果失败，则新创建一个分配区。把该分配区加到循环链表里并且加锁，最后分配内存。（如果线程过多，并且高并发，将导致内存暴增）在回收操作中，如果该分配区被加锁，只能等待解锁了再free。
ptmalloc的内存暴增以及解决思路
在上一篇博文，提到了ptmalloc尽量避免为生命周期长的内存块开辟内存。在此将进行讨论。
1.长时间没有释放内存（对于生命周期长的内存块使用过多），全局内存池回不定期的分配内存，可能下次分配的内存是在top chunk分配的。如果长时间不能得到释放，那么brk会被不断修改，导致top chunk升到了一个更高的虚拟地址空间。从而使ptmalloc中的内存块更多但是又无法返回给操作系统。
2.如果线程过多，在高并发环境下，频繁的分配和释放，会导致锁的竞争更为激烈。同时又会不断创建新的非主分配区。这也将导致内存暴增。
解决思路如下：
1.对于长生命周期的内存块，可以使用mmap系统调用来申请。
2.多线程的话就尽量减少线程使用。
内存池的优缺点
优点：
1.应用程序可以更简单的管理内存。
2.内存分配的回收更加快。
3.可以以预先处理分配失败的情况。
4.容易实现
缺点：
1.只适用于操作可以分阶段的程序
2.不能和第三方库很好的合作
3.如果程序结构发生变化，则不得不修改内存池，这将导致内存管理的重写
4.如果丢失了指针，就会起到管理的反效果
