malloc函数的一种简单的原理性实现

malloc（）是 C 语言中动态存储管理的一组标准库函数之一。其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为 size 的连续空间。其参数是一个无符号整形数，返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针

malloc（）工作机制

malloc 函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用 malloc 函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用 free 函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc 函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。 

malloc（）在操作系统中的实现

在  C  程序中，多次使用 malloc ()  和  free()。不过，您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示  malloc  和free  的一个最简化实现的代码，来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：

void *malloc (long numbytes)：该函数负责分配  numbytes  大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。void free(void *firstbyte)：如果给定一个由先前的  malloc  返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。malloc_init  将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：//清单  1. 我们的简单分配程序的全局变量

int   has_initialized =  0;

void  *managed_memory_start;

void  *last_valid_address; 

如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者当前中断点。在很多  UNIX?  系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用sbrk(0)  函数。  sbrk  根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数  0  只是返回当前中断点。这里是我们的  malloc  初始化代码，它将找到当前中断点并初始化我们的变量：

清单  2. 分配程序初始化函数

/*  Include  the sbrk  function  */ #include void  malloc_init(){/* grab  the  last   valid address  from  the  OS  */last_valid_address =  sbrk(0);/*  we  don''t  have any  memory  to  manage  yet, so*just  set the  beginning  to be  last_valid_address*/managed_memory_start = last_valid_address;/*  Okay,  we''re  initialized and ready to go   */has_initialized  =  1;} 

现在，为了完全地管理内存，我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了  free  调用之后，我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情，并且，在调用  malloc  时，我们要能够定位未被使用的内存块。因此，   malloc 返回的每块内存的起始处首先要有这个结构：

//清单  3. 内存控制块结构定义struct mem_control_block   {int  is_available;int  size;}; 

现在，您可能会认为当程序调用  malloc  时这会引发问题  ——  它们如何知道这个结构？答案是它们不必知道；在返回指针之前，我们会将其移动到这个结构之后，把它隐藏起来。这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的内存。那样，从调用程序的角度来看，它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后，当通过  free()  将该指针传递回来时，我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。在讨论分配内存之前，我们将先讨论释放，因为它更简单。为了释放内存，我们必须要做的惟一一件事情就是，获得我们给出的指针，回退  sizeof(struct mem_control_block)  个字节，并将其标记为可用的。这里是对应的代码：

//清单  4. 解除分配函数void  free( void  *firstbyte)   {struct  mem_control_block   *mcb;/* Backup from  the given  pointer  to find  the* mem_control_block*/mcb = firstbyte  -  sizeof(struct  mem_control_block);/* Mark  the  block  as being  available  */mcb- >is_available =  1;/*  That''s   It!   We''re done.  */return ;}   

如您所见，在这个分配程序中，内存的释放使用了一个非常简单的机制，在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码：

//清单  6. 主分配程序void  *malloc(long  numbytes)  {/*  Holds  where  we are  looking in memory  */void  *current_location;/*   This is the same as  current_location,  but  cast to a*  memory_control_block*/struct  mem_control_block   *current_location_mcb;/*   This is the  memory location   we  will  return.    It   will* be   set to 0   until  we  find  something suitable*/void  *memory_location;/*   Initialize  if  we   haven''t already done so   */if (!   has_initialized)  {malloc_init();}/*   The memory  we search  for   has to  include the  memory*  control block,  but the   users  of malloc  don''t  need*  to know  this,  so  we''ll  just  add  it  in   for  them.*/numbytes  =  numbytes  + sizeof(struct  mem_control_block);/*  Set  memory_location to  0  until we  find a suitable*  location*/memory_location  =  0;/*  Begin searching  at the   start  of managed  memory  */current_location =  managed_memory_start;/*  Keep going  until  we  have searched   all allocated  space  */while (current_location !=  last_valid_address){/*  current_location and current_location_mcb  point*  to  the same   address.    However, current_location_mcb* is  of  the  correct  type, so  we  can   use  it  as a  struct.* current_location is a  void  pointer so  we  can  use  it*  to calculate  addresses.*/current_location_mcb =(struct  mem_control_block  *)current_location;if (current_location_mcb- >is_available){if (current_location_mcb->size  >=  numbytes){/*  Woohoo!   We''ve found an  open,* appropriately-size   location.*//*  It  is  no longer  available  */ current_location_mcb ->is_available =  0;/* We own  it   */memory_location  =  current_location;/* Leave  the  loop  */break ;}}/*   If   we made  it   here, it''s because  the  Current memory* block  not  suitable; move  to  the  next one*/current_location = current_location +current_location_mcb->size;}/*   If   we  still  don''t  have  a  valid  location,   we''ll*  have  to ask  the operating  system  for more memory*/if (!   memory_location){/*  Move  the program break  numbytes  further */sbrk(nu mbytes);/*  The   new memory  will be  where  the  last   valid* address   left   off*/memory_location =  last_valid_address;/*   We''ll  move the   last   valid address forward*  numbytes*/last_valid_addre ss =  last_valid_address  +  numbytes;/*  We  need  to initialize  the mem_control_block  */current_location_mcb =  memory_location;current_location_mcb->is_available  =  0;current_location_mcb->size  =  numbytes;}/*  Now,  n o  matter  what  (well,  except  for  error  conditions),*  memory_location  has  the  address of the   memory, including*  the  mem_control_block*//*  Move the  pointer  past  the mem_control_block  */memory_location = memory_location  +  sizeof(struct  mem_control_block);/*  Return  the pointer */return   memory_location;} 

这就是我们的内存管理器。现在，我们只需要构建它，并在程序中使用它即可.多次调用 malloc（）后空闲内存被切成很多的小内存片段，这就使得用户在申请内存使用时，由于找不到足够大的内存空间，malloc（）需要进行内存整理，使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为 2 的幂的内存块，而最大限度地降低潜在的 malloc 性能丧失。也就是说，所分配的内存块大小为4 字节、8 字节、16 字节、18446744073709551616 字节，等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段（各种尺寸的小片段都有）的数量。尽管看起来这好像浪费了空间，但也容易看出浪费的空间永远不会超过 50%。 

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malloc 函数 

函数声明(函数原型)： 
void *malloc(int size); 

说明：malloc  向系统申请分配指定 size 个字节的内存空间。返回类型是  void* 类型。void*  表示未确定类型的指针。C,C++规定，void*  类型可以强制转换为任何其它类型的指针。 从函数声明上可以看出。malloc  和  new  至少有两个不同: new  返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。比如：

int *p; 

p = new int; //返回类型为 int*  类型(整数型指针)，分配大小为  sizeof(int); 
或： 
int* parr; 
parr = new int [100]; //返回类型为  int*  类型(整数型指针)，分配大小为
sizeof(int) * 100; 
而  malloc  则必须由我们计算要字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。 
int* p; 
p = (int *) malloc (sizeof(int)); 
第一、 malloc  函数返回的是  void *  类型，如果你写成： p = malloc (sizeof(int)); 则程序无法通过编译，报错：“不能将  void*  赋值给  int *  类型变量”。所以必须
通过  (int *)  来将强制转换。 
第二、函数的实参为  sizeof(int)  ，用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成： 
int* p = (int *) malloc (1); 
代码也能通过编译，但事实上只分配了 1 个字节大小的内存空间，当你往里头存入一个整数，就会有 3 个字节无家可归，而直接“住进邻居家”！造成的结果是后
面的内存中原有数据内容全部被清空。 malloc  也可以达到  new []  的效果，申请出一段连续的内存，方法无非是指定你
所需要内存大小。 比如想分配 100 个 int 类型的空间： int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下 100 个整数的内存空间。 另外有一点不能直接看出的区别是，malloc  只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。 除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过 malloc 或 new 得到指针，在其它操作上保持一致。

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有了 malloc/free  为什么还要 new/delete  ？

malloc  与 free  是 C++/C  语言的标准库函数， new/delete  是 C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用 maloc/free  无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，  对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free  是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于 malloc/free。因此 C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符 new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符 delete。注意 new/delete  不是库函数。我们先看一看 malloc/free  和 new/delete  如何实现对象的动态内存管理，见示例 7-8。

class Obj{public :Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }~Obj(void){ cout << “Destroy”  << endl; }void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }};void UseMallocFree(void){Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); //  申请动态内存a->Initialize(); //  初始化//…a->Destroy(); //  清除工作free(a); //  释放内存}void UseNewDelete(void){Obj *a = new Obj; //  申请动态内存并且初始化//…delete a; //  清除并且释放内存}

示例 7-8  用 malloc/free  和 new/delete  如何实现对象的动态内存管理类 Obj  的函数 Initialize  模拟了构造函数的功能，函数 Destroy  模拟了析构函数的功
能。函数 UseMallocFree  中，由于 malloc/free  不能执行构造函数与析构函数，必须调用成员函数 Initial ize  和 Destroy  来完成初始化与清除工作。函数 UseNewDelete 
则简单得多。所以我们不要企图用 malloc/free  来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。
由于内部数据类型的“  对象”没有构造与析构的过程，对它们而言 malloc/free  和new/delete  是等价的。既然 new/delete  的功能完全覆盖了 malloc/free，为什么 C++不把 malloc/free  淘汰出局呢？这是因为 C++程序经常要调用 C  函数，而 C  程序只能用 malloc/free管理动态内存。如果用 free  释放“new  创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用 delete  释放“malloc  申请的动态内存”，理论上讲程序不会出错，但是该程序的可读性很差。所以 new/delete  必须配对使用，malloc/free  也一样。