malloc實現原理
- malloc是什么？
- malloc,calloc, realloc的區別
- malloc的實現原理
- malloc的兩種實現方式
- 為什么使用brk？
- 為什么使用mmap？
- malloc怎么定界的
- malloc分配的是虛擬內存上的空間嗎？
malloc是什么？
??通過malloc，我們可以開辟一個自定義大小的內存空間。
??通過上圖我們可以知道，malloc是一個C的庫函數，參數是分配一個size大小（正整數）的空間，分配成功后返回一個void*指針，說明可以通過強轉，返回一個任意類型的指針。分配空間失敗后返回null。
malloc,calloc, realloc的區別
??根據上圖來說明：
- malloc: 分配size字節大小的空間，分配空間成功后返回一個
void*指針；分配空間失敗后返回null。 - calloc： 分配num個size字節大小的空間，分配空間成功后返回一個
void*指針；分配空間失敗后返回null。 - realloc: 對ptr指針指向的空間，將其大小改變為size字節大小。成功后返回一個
void*指針；失敗后返回null。具體可以參考博客：realloc的用法。
malloc的實現原理
?? malloc是C庫函數，所以底層肯定使用系統調用來實現。
?? malloc分配內存的時候，會預分配一個更大的空間作為內存池，然后在內存池上面劃分所申請大小的空間并返回，free時也不會將空間直接釋放，而是將空間歸還給內存池。但通過后面我們可以知道，只有當底層使用brk時才是這樣的，使用mmap時直接分配內存，free后就還給OS，不會和內存池產生交互。
malloc的兩種實現方式
malloc通過以下兩個系統調用來實現：
- brk: 當分配的空間大小 小于 128KB時， 在堆上分配空間。
- mmap: 當分配的空間大小 大于 128KB時， 在文件映射區上分配空間。
為什么使用brk？
?? 當分配的空間大小 小于 128KB時， 在堆上分配空間。為什么這樣設計呢？
?? 因為mmap使用完內存free會直接釋放歸還給操作系統，頻繁的調用mmap會使得用戶態和內核態來回切換，會降低效率，于是利用了內存池來解決這個問題，每次調用brk函數都會預分配更大的空間來放入內存池，下一次在調用brk的時候，就可以不用切換為內核態，直接將內存池的空間分配即可，提高了效率。
為什么使用mmap？
?? 為什么使用mmap呢？
??因為brk在內存池中的釋放空間和申請空間都會造成許多內存碎片，如果我們頻繁申請很多大空間的內存，如果都使用brk，就會造成內存池中出現許多空間大的內存碎片，造成了空間浪費。
??所以，當我們申請小空間的內存時，使用brk，將其放入內存池，就算形成內存碎片也不會造成很大的空間浪費， 而且減少了內核態和用戶態的切換，提高了效率。當我們申請大空間的內存時，使用mmap，就能避免內存池中沒有合適大小的空間，并且free后直接釋放給了操作系統，避免了造成更大的空間浪費。
malloc怎么定界的
?? malloc分配空間時，會返回一個指向所申請空間開頭地址的指針，那么只靠這一個指針，是怎么分辨分配空間的界限的呢？怎么知道空間有多大呢？
??原因是因為malloc在分配內存時，多分配了一段內存空間，其中存儲了用戶所需空間的大小，有了這個我們就能確定界限。這段多分配的空間就在malloc返回的指針指向地址的前面的空間處。如圖：
malloc分配的是虛擬內存上的空間嗎？
??malloc分配的是虛擬內存上的空間，一開始并不會在物理內存上面分配內存，當我們使用這個空間的時候，拿到這個虛擬地址，去頁表查詢，會發現沒有對應的頁表項，就會觸發缺頁中斷，然后操作系統在物理內存分配相應大小的空間，更新頁表，再重新查詢，這時候，才會真正的在物理內存上分配內存。
??所以，如果一直使用mmap，每次都釋放空間給操作系統，頁表中的頁表項也會被刪除，再進行申請空間的， 使用空間的時候，就會造成缺頁中斷，造成效率低下。而使用brk不會將內存空間返還給操作系統，頁表中這個已經free的空間和物理內存頁面的映射關系可能還在，下次申請空間時就不會造成缺頁中斷。
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