【转载】malloc内存分配与free内存释放的原理

原文：http://www.cnblogs.com/huhuuu/p/3456662.html

前段时间一直想看malloc的原理，在搜了好几篇malloc源码后遂放弃，晦涩难懂。

　　后来室友买了本深入理解计算机系统的书，原来上面有讲malloc的原理，遂看了，先明白理论，在看代码就理解比较快了= =

　　1.问题的引入：

　　　为什么要使用malloc，主要是因为在代码中，为了节约内存，很多数据都是动态生成的，所以会用malloc，对应于C++中的new，底层还是调用malloc.

　　2.碎片的问题：

　　　会有内部碎片与外部碎片的问题，内部碎片难以消除（因为字对齐之类的问题），而外部碎片是可以消除的（如果不消除的话，外部的内存块越来越小，虽然数量多了，但是利用率会急剧下降！）

　　3.需要解决的问题：

　　

　　4.隐式的空闲链表：

　　一个简单的堆块，这里只有头部，下面为了优化，还会使用尾部。

　　

　　隐式的空闲链表：

　　

　　这样就把用链表的方法把堆空间给联系起来了。特点明显，实现简单，但分配时查询空堆块是线性时间的。

　　5.放置以分配的块：

　　　　1）、首次适配：从链表开始寻找适合的空堆块，直到找到为止

　　　　2）、下一次适配：从上一次的分配点开始找，直到找到适合的空堆块为止

　　　　3）、最佳适配：查询整个链表，找到最合适（浪费最小）的空堆块

　　6.分割空闲块：

　　　　当前的分配的空堆块比所需要的空间大很多的时候，如果不分割，就会照成内部碎片过大，利用率下降。

　　　　当需要3个字节的空间时，首次适配找到了满足条件的第二个堆块，但堆块过大，所以分割成两个16字节的堆块。

　　　　

　　7.获取额外的堆存储器：

　　　当链表中不能满足申请要求的堆块空间的时候，1）通过合并相邻的堆块空间，形成单个尽量大的堆块空间 2）实在没有其他办法了，分配器通过sbrk函数向内核申请格外的堆空间，分配器将堆空间插入到链表中，然后提供给申请空间的块。

　　8.合并

　　

　　如果，在如上的情况下，合并两个块，由于当前块不知道上一个块的情况,它要通过遍历整个链表才能知道上一个堆块的空间是否为空，这样将花费线性的时间来合并与当前相邻的空闲堆块。有个类似双向链表的方法（不过不是真正的双向链表，只是可以加一个信息量，直接就可以知道上一个堆块的情况）

　　

　　上一个堆块的情况就容易知道了，下面有四种情况：

　　

　　

　　这样，堆块合并的问题就解决了。