[C/C++] malloc内存分配与free内存释放原理

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

　　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）。

　　共有四种情况：

　　从而解决了堆块的合并问题。

总结：

　　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，它沿链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。如果无法获得符合要求的内存块，malloc函数会返回NULL指针，因此在调用malloc动态申请内存块时，一定要进行返回值的判断。