malloc,free的简单实现

首先简单说一下标准库中malloc实现原理：

    标准库内部通过一个双向链表，管理在堆中动态分配的内存。
    malloc函数分配内存时会附加若干(通常是12个)字节，存放控制信息。
    该信息一旦被意外损坏，可能在后续操作中引发异常。

mmap/munmap   底层不维护任何东西，只是返回一个首地址，所分配内存位于堆中。

brk/sbrk   底层维护一个指针，记录所分配的内存结尾，所分配内存位于堆中，底层调用mmap/munmap。

malloc   底层维护一个双向链表和必要的控制信息，不可越界访问，所分配内存位于堆中，底层调用brk/sbrk。

每个进程都有4G的虚拟内存空间，虚拟内存地址只是一个数字，并没有和实际的物理内存相关联。

所谓内存分配与释放，其本质就是建立或取消虚拟内存和物理内存间的映射关系。

几个用到的函数：

void* sbrk (
    intptr_t  increment // 内存增量(以字节为单位)
);

返回上次调用brk/sbrk后的末尾地址，失败返回-1。

increment取值：

0 - 获取末尾地址。

>0 - 增加内存空间。

<0 - 释放内存空间。

内部维护一个指针，指向当前堆内存最后一个字节的下一个位置。
sbrk函数根据增量参数调整该指针的位置，同时返回该指针原来的位置。
若发现页耗尽或空闲，则自动追加或取消页映射。

int brk (

   void* end_data_segment // 内存块末尾地址
);

成功返回0，失败返回-1。

内部维护一个指针，指向当前堆内存最后一个字节的下一个位置。
brk函数根据指针参数设置该指针的位置。
若发现页耗尽或空闲，则自动追加或取消页映射。

sbrk/brk底层维护一个指针位置，以页(4K)为单位分配和释放虚拟内存。
简便起见，可用sbrk分配内存，用brk释放内存。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdbool.h>typedef struct mem_control_block //内存控制块{bool free;   //自由标志struct mem_control_block* prev;  //前向指针size_t size;   //块大小}MCB;MCB* g_top;  //内存栈顶指针// +----------------------+              g_top// v                      |                |// +------+------------+--|---+------------+------+------------+// | prev |            | prev |            | prev |            |// | free |            | free |            | free |            |// | size |            | size |            | size |            |// +------+------------+------+------------+------+------------+//   MCB  |<-- size -->|void* my_malloc(size_t size){MCB* mcb;for(mcb = g_top; mcb; mcb = mcb->prev)if(mcb->free && mcb->size >= size)//寻找可用空块break;if(!mcb) //如果没有可用空块{mcb = sbrk(sizeof(MCB) + size); //增量分配size大小内存if(mcb == (void*)-1)    //如果分配失败，打印错误信息{perror("sbrk");return NULL;}mcb->prev = g_top; //调整前向指针mcb->size = size;  //大小g_top = mcb;    //调整栈顶指针}mcb->free = false;  //无论用原来空块还是新分配的块，都标记为不可用return mcb + 1; //返回实际分配的内存起始地址}void my_free(void* ptr){if(!ptr)return;MCB* mcb = (MCB*)ptr - 1;  //取控制块起始地址，//注意：ptr为实际可用内存起始地址mcb->free = true;   //块标记为可用//在栈中查找连续内存块for(mcb = g_top; mcb->prev; mcb = mcb->prev)if(!mcb->free)break;//释放整个栈所有内存块if(mcb->free){g_top = mcb->prev;brk(mcb);   //修改内存块末尾地址}else  //释放连续的标记为true的内存块{g_top = mcb;brk((void*)mcb + sizeof(MCB) + mcb->size);}}//测试int main(void){int* pa[10];size_t size = sizeof(pa) / sizeof(pa[0]), i, j;for(i = 0; i < size; ++i){if(!(pa[i] = (int*)my_malloc((i+1) * sizeof(int)))){perror("my_malloc");return -1;}for(j = 0; j <= i; ++j)pa[i][j] = j;}for(i = 0; i < size; ++i){for(j = 0; j <= i; ++j)printf("%d ", pa[i][j]);printf("\n");}for(;;){my_free(pa[--i]);if(! i)break;}return 0;}