malloc内存分配与free内存释放

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        这里的存储分配程序，讲的就是标准库中malloc函数的实现原理。首先要了解针对malloc的内存存储结构。malloc不像全局变量一样，不是在编译器编译的时候就会分配内存空间，而是在调用到malloc函数时才会分配空间。有时还会中途调用free函数释放空间出来。所以：

        1、malloc在第一次被调用时，从系统中获取最小为一个单元的空闲空间（eg：最小单元为1024个最受限单元块。当x<=1024，获取1024个，否则获取x个），再进行分配；

        2、malloc所剩下的空闲空间一般都不是连续的，而是分散的。这样也提高了空间的利用率。

        为了管理malloc的空闲空间，每一个独立块的最前面都包含了一个“头部”信息：一个指向下一个空闲块的指针、一个本身独立块的长度（书上说还有一个指向自身存储空间的指针，但每个存储空间都有自身的指针，为什么还要这个呢。后看英语版原著，这么写的：Each block contains a size, a pointer to nextblock, and the space itself.）。下一个空闲块是按存储地址升序排列，离本空闲块最近的一个空闲块，若本空闲块在最后，则指向最前的空闲块。这样所有属于malloc的空闲空间都被串在了一起。如下图所示：

        因为后面的free函数已经把相邻的空闲链表给整合成一块了，所以我的图没有出现相邻的空闲链表。

        每块由malloc控制的空间都包含一个“头部”信息，为了方便管理，每块的空间大小都是头部大小的整数倍。而头部长度=指向下一个空闲块的指针的长度+自身空间大小的unsigned长度。但为了确保由malloc函数返回的存储空间满足将要保存的对象的对齐要求。每个机器都有一个最受限的类型：如果最受限的类型可以存储在某一个特定的地址中，则其他所有的类型也可以存放在此地址中。有的是double型，有的是long型，甚至还有的是int型。因此，头部结构将与最受限的类型进行联合，来确保对齐。

        因为有头部信息，头部信息里的本块空间size也是包括头部的大小，所以每次申请malloc空闲块的时候，都要加上一个单元，最后返回给用户的时候，再去掉头部。

        每次调用malloc申请空间时，malloc有一个专门指向当前空闲块链表的静态指针freep。从当前开始扫描剩下的空闲块链表，直到扫到一个足够大的空闲块。此算法成为“首次适应”（first fit），与之相对的是“最佳适应”（best fit）：它将扫描出满足条件最小的块。这里的代码是“首次适应”算法。结果将出现三种情况：

        1）找到一块刚好合适的空闲块，则此块空间从链表中移走并将此块的地址返回给用户，并把静态指针freep指向前一空闲块地址；

        2）找到一块比需求大的空闲块，则从此空闲块中的后部取一块与需求一样的空间给用户，前部改变空闲块大小便可；

注（直到写本博文才发现自己错了）：

①一直都认为返回给用户地址前一单元的头部，应该把空间退还给前面的空闲块，不然就闲着了。其实，里面记录了一个重要信息：空间块大小（包括头部和返回给用户的单元大小），在free释放空间的时候，就必须用到此头部的信息；

②后面的free程序以为是专供系统申请空间后插入空闲块链表用的，其实它就是我们平常用malloc、realloc、或calloc申请空间后，再释放的程序。

        3）如果扫描了一遍，都没有找到足够大的空闲块，则向系统再申请一块新的空间。

        上面都是在malloc已经有了空闲块的前提下，但第一次申请的时候，malloc是没有空闲块空间的。因此，在预编译时，就建立了一个单元的空闲块链表base来当做空闲链表的入口。当第一次调用malloc时，空闲链表的静态指针freep为NULL，那将它指向base，大小设为0（这样这块base空间将一直存在，且不被申请，确保了之后freep一直指向有效的空闲块链表），且指向它自己，同时向系统申请空闲空间（每次向系统申请的空间都是一块连续的空闲块）。

[cpp] view plain copy

 

1. typedef long Align; /*按照long类型的边界对齐，即以long作为最受限类型*/  
2. union header{   /*头部信息*/  
3.     struct {  
4.         union header *ptr;  /*指向下一个空闲块*/  
5.         unsigned size;      /*本空闲块大小*/  
6.     }s;  
7.     Align x;    /*强制对齐*/  
8. };  
9. typedef union header Header;  
10.   
11. static Header base; /*第一次调用malloc的空闲块链表入口，大小为0的空链表（按照上面逻辑的来说，这里的size应该为1）*/  
12. static Header *freep = NULL;    /*静态的空闲块链表指针，初始化为NULL。第一次申请后才会指向base*/  
13.   
14. /*malloc函数：通用存储分配函数*/  
15. void *malloc(unsigned nbytes)  
16. {  
17.     Header *p,*prevp;   /*定义一个当前空闲块指针变量，和前一个空闲块指针变量*/  
18.     Header *morecore(unsigned); /*用于向系统申请空闲空间函数*/  
19.     unsigned nunits;    /*需要申请的实际单元大小，即上面图中的z*/  
20.   
21.     nunits = (nbytes + sizeof(Header) - 1)/sizeof(Header) + 1;  /*与上图对应，把字节大小转换为单元大小，向上取整，并加上一个单元（头部）*/  
22.     if((prevp = freep) == NULL){    /*没有空闲链表，第一次申请*/  
23.         base.s.ptr = prevp = freep = &base; /*freep指向base，base的下一个空闲块指针指向自己*/  
24.         base.s.size =0; /*设置大小为0*/  
25.     }  
26.     for(p = prevp->s.ptr;;prevp = p, p = p->s.ptr){  
27.         if(p->s.size >= nunits){  
28.             if(p->s.size == nunits)  /*大小刚好合适*/  
29.                 prevp->s.ptr = p->s.ptr;  /*移走此块空闲区域*/  
30.             else{                   /*比实际需求大，从空闲块尾部分配*/  
31.                 p->s.size -= nunits; /*缩小空闲块大小*/  
32.                 p += p->s.size;  /*指针指向被申请的空间的头部*/  
33.                 p->s.size = nunits;      /*设置被申请的空闲块大小*/  
34.             }  
35.             freep =prevp;   /*当前静态指针指向前一空闲块，如果当前块还有空闲区域，下次将继续从此处开始扫描，节省时间*/  
36.             return (void *)(p+1);   /*返回去头部单元的空闲空间*/  
37.         }  
38.         if(p == freep)  /*闭环的空闲链表，第一次调用malloc申请，或扫描一遍，未发现足够大的空间*/  
39.             if((p = morecore(nunits)) == NULL)  /*向系统申请空间*/  
40.                 return NULL;    /*未申请成功，*/  
41.     }  
42. }  

        通过下面的morecore()和free()函数的程序分析可知，在向系统成功申请空间后，p将指向有足够空间的空闲块。但在此代码中，进入下一此空闲块扫描前，p将指向下一块不足的空闲块，导致多扫描了一遍。个人觉得，如果空间足够，可以多申请一个静态指针beforefreep，指向freep的前一个空闲块。这样上面代码可添加一句，提高效率：

[cpp] view plain copy

 

1. if(p == freep){ /*这样要添加大括号*/  
2. if((p = morecore(nunits)) == NULL)  
3.         return NULL;  
4.     p = beforefreep;  
5. }  
6. 或  
7. if(p == freep) /*这里可以不用加大括号，else与最近的if匹配*/  
8. if((p = morecore(nunits)) == NULL)  
9.         return NULL;  
10.     else  
11. p = beforefreep;  

        向系统申请空间的时，不是按需分配，而是有一个最小申请单元数。让您足够用，这次用不完可以留着下次用，不用每次都向系统申请，又不会系统浪费空间。

        真正向系统申请空间，还需调用系统调用sbrk(n)（UNIX下），若申请成功，该指针返回指向n个字节的存储空间；若申请失败，返回-1（不是NULL）。返回的指针类型是char *（应该是最小的存储空间单元）。

[cpp] view plain copy

 

1. #define NALLOC 1024 /*最小申请单元数*/  
2.   
3. /*morecore函数：向系统申请更多的存储空间*/  
4. static Header *morecore(unsigned nu)    /*返回的是静态空闲块链表指针*/  
5. {  
6.     char *cp, *sbrk(int);  
7.     Header *up;  
8.   
9.     if(nu < NALLOC)  
10.         nu =NALLOC;  
11.     cp = sbrk(nu * sizeof(Header)); /*调用系统调用申请系统空间*/  
12.     if(cp == (char *) -1)  
13.         return NULL;    /*申请失败，没有空间*/  
14.     up = (Header *)cp;  /*转换为Header*指针类型*/  
15.     up->s.size = nu; /*设置此空间块的大小*/  
16.     free((void *)(up +1));  /*释放空间*/  
17.     return freep;     
18. }  

        这里的返回的freep，在free中更新了，才返回的。当初也想过既然freep都是静态全局变量了，那这里为什么还要返回一个静态变量呢，直接在函数里赋值就好了。其实这里有成功与失败，所以程序来需要判断申请结果，而且返回的freep是与申请最相关东西。

        free(void *ap)函数就是释放指针ap所指的空间，具体要释放的大小在ap前一个指针，即头部信息里。释放主要就是为了把此空间插入到空闲块链表中。所以要找到此空间块两边的空闲块（也有可能只有一块空闲块，即入口base）。然后判断是否与前一块相连，与后一块相连，相连的话，合并成一块，否则直接在中间插入一个新的空闲块链表。

[cpp] view plain copy

 

1. /*free函数：释放ap，将ap块放入空闲链表中*/  
2. void free(void *ap)  
3. {  
4.     Header *p, *bp;  
5.   
6.     bp =(Header *)ap -1;    /*指向ap块的头部*/  
7.     for(p = freep; !(bp > p && bp < p->s.ptr); p = p->s.ptr)    /*找到bp所在空闲链表中的位置*/  
8.         if(p >= p->s.ptr && (bp > p || bp < p->s.ptr))   /*判断是否在链表的开头或末尾*/  
9.             break;  
10.   
11.     if(bp + bp->s.size == p->s.ptr){  /*先判断能否与高地址的空闲块合并，即与后一块合并*/  
12.         bp->s.size += p->s.ptr->s.size;  
13.         bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;  
14.     }  
15.     else  
16.         bp->s.ptr = p->s.ptr; /*不能合并，bp指向后一块地址*/  
17.   
18.     if(p + p->s.size == bp){ /*再判断能否与地地址的空闲块合并，即与前一块合并*/  
19.         p->s.size += bp->s.size;  
20.         p->s.ptr = bp->s.ptr;  
21.     }  
22.     else  
23.         p->s.ptr =bp;    /*不能合并，p指向bp地址*/  
24.     freep =p;  
25. }  

注：中文版翻译的又有歧义了，原著分别是“join to upper nbr”和“jointo lower nbr”。

        这个free程序，处理的太妙了。一般思维，先与前一块合并，再与下一块合并，如下面的程序（显然比我的好多了）：

[cpp] view plain copy

 

1. if(p + p->s.size == bp){ /*与前一块相连？*/  
2.     if(bp + bp->s.size == p->s.ptr){  /*与后一块相连？*/  
3.         p->s.size += bp->s.size + p->s.ptr->s.size;  
4.         p->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;  
5.     }else  
6.         p->s.size += bp->s.size;  
7. }else{  
8.     if(bp + bp->s.size == p->s.ptr){  /*与后一块相连？*/  
9.         bp->s.size += p->s.ptr->s.size;  
10.         bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;  
11.         p->s.ptr = bp;  
12.     }else   /*不与任何一块相连*/  
13.         bp->s.ptr = p->s.ptr;  
14.         p->s.ptr = bp;  
15. }  

         从这里可以看出，通过malloc申请后的空间，并没有初始化，所以在使用前记得初始化，不小心当做右值使用，出错的概率很大。

        《C程序设计语言》（第2版·新版）不愧是经典，值得细读和巩固。感谢作者！

        写了很久才写完，有错误或不好的地方，欢迎各位指正和批评！也感谢您花时间阅读！

来源：https://blog.csdn.net/qq_34037046/article/details/101114426