聊聊C语言中的malloc申请内存的内部原理

一、聊聊C语言中的malloc申请内存的内部原理

深入解析 C语言中 malloc函数的内部工作原理

在深入探讨 malloc函数的内部工作原理之前，让我们先了解一下它在现代编程语言中的作用。现代语言通常在应用层实现内存分配器，这些分配器模仿内核的 SLAB分配器，预先从操作系统申请内存并构建内存池。当我们需要内存时，分配器直接从内存池中提供，而当我们释放内存时，分配器负责管理内存，并通过策略决定是否将其回收给操作系统。这种方法既能灵活管理不同大小的内存对象，又能避免频繁调用 mmap系统调用带来的开销。常见的内存分配器包括 glibc的 ptmalloc、Google的 tcmalloc和 Facebook的 jemalloc等。

我们将以经典的 ptmalloc分配器为例，详细介绍 malloc函数的内部工作原理。这里，我们将使用 glibc源码，下载地址为：ftp.gnu.org/gnu/glibc/。我们使用的是版本 2.12.1。

ptmalloc分配器通过多个分配区 arena进行内存管理。arena支持多个分配区，以降低多线程操作时的锁开销。每个分配区包含一个锁，用于处理内存申请竞争。arena的数据结构定义在 struct malloc_state中，包含锁、内存管理数据结构和 next指针，用于链接所有分配区。

分配区中的基础内存分配单位是 malloc_chunk，简称 chunk。它包含 header和 body部分。每次申请内存时，分配器都会分配一个合适的 chunk给用户，返回 body部分的地址供用户使用。释放内存时，chunk不会被操作系统回收，而是由分配器管理，body部分的 fd、bk字段用于双向链表操作。

ptmalloc通过 fastbins、smallbins、largebins和 unsortedbins管理空闲内存块。fastbins用于快速分配小内存，smallbins、largebins和 unsortedbins使用 bins数组管理。top chunk用于在所有 bins都无法满足需求时尝试分配。

在 malloc的工作过程中，分配器根据内存大小在 fastbins、bins、smallbins、largebins和 unsortedbins中查找合适的 chunk。释放内存时，将 chunk放回相应的管理链表。此外，分配器还会处理 chunk的拆分和合并，以优化内存管理。

了解这些原理后，我们再来看看 malloc函数在 glibc中的实现。在 public_mALLOc函数中，主要处理分配区和锁操作以避免冲突。核心逻辑在 _int_malloc函数中，它包含了分配尝试和操作系统内存申请的处理。在尝试过程中，可能会涉及到 chunk的切分和合并，以减少内存碎片。

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二、C语言 malloc

1、在C和C++语言中，malloc函数用于向系统申请分配指定大小的内存空间。其函数声明为void*malloc(int size)，返回类型为void*，即未确定类型的指针。void*可以强制转换为任何其他类型的指针。

2、与new相比，malloc有两点不同。首先，new返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需大小。例如：

3、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)；

4、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。

5、而malloc则需要我们自己计算需要的字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。例如：

6、int* p; p=(int*) malloc(sizeof(int));

7、如果写成p= malloc(sizeof(int));，程序将无法通过编译，因为void*不能直接赋值给int*类型变量，所以必须通过(int*)进行强制转换。

8、其次，函数的实参应为sizeof(int)，用于指明一个整型数据需要的大小。如果写成int* p=(int*) malloc(1);，代码虽然能通过编译，但事实上只分配了1个字节大小的内存空间。当你往里存入一个整数，就会有3个字节无家可归，造成原有数据内容全部被清空。

9、尽管malloc无法直接分配出一个new[]效果，即一段连续的内存，但通过指定你需要的内存大小，也可以实现类似的效果。例如：

10、int* p=(int*) malloc(sizeof(int)* 100);分配可以放得下100个整数的内存空间。

11、malloc只能分配内存，不能对所得的内存进行初始化，因此得到的新内存中的值将是随机的。

12、除了分配和最后释放的方法不同，通过malloc或new得到的指针在其他操作上保持一致。例如：

13、char*ptr; if((ptr=(char*)malloc(0))== NULL) puts("Got a null pointer"); else puts("Got a valid pointer");

14、此时得到的是Got a valid pointer。把0赋给malloc能得到一个合法的指针。

三、malloc函数的用法 C语言malloc函数的使用

1、工具/原料：Microsoft Visual Studio 2010。

3、在 malloc的使用.c文件中包含各种需要用到的头文件。

5、定义一个指针p，将其初始化为NULL。

7、其中 sizeof(int)*100代表你要申请的内存空间的大小（可以自己随意设置）。

8、因为malloc函数的返回值是void*，而p是int*，所以要对返回值进行强制转换。

9、再编写一些代码来判断一下malloc是否申请内存成功，接着按快捷键F5运行，查看输出结果，可以看到内存申请成功。

10、最后，我们还要用free函数释放掉刚申请的内存，防止内存泄露，至此，整个代码编写完成。