看本节前，希望读者有linux内存分布的基本概念，可以阅读这篇文章：
进程虚拟地址空间和函数调用栈

在本节中希望读者可以一口气阅读完所有内容。
本博客内容全部来自小林coding：malloc 是如何分配内存的？
这里仅为笔记记录。

malloc是如何分配内存的？

首先我们要明确一点，malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。
同时调用mlloc也并不一定会陷入内核态。

malloc申请内存会以两种方式向操作系统申请堆内存：

• 通过 brk() 系统调用从堆分配内存
• 通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存

通过 brk() 系统调用

brk()的实现方式就是将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。

并且malloc()源码中默认定义了阈值，如果用户分配内存小于128KB则通过brk()申请内存。

通过mmap()申请内存

mmap() 系统调用通过「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图：

在操作文件时，我们一般通过 open() 打开文件，然后使用 mmap() 将文件内容直接映射到虚拟内存上，这样我们就可以像操作内存一样操作文件的内容，这一块区域就是文件映射区。

如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

不同的gilbc版本定义的阈值也是不同的

⭐️malloc()分配的是物理内存吗？

这个答案很明显，malloc分配的是虚拟内存，但是下一句话更加重要！

如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。

1. 在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中；
2. 就会触发缺页中断，
3. 然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

⭐️malloc()竟然会构建内存池！

malloc() 在分配内存的时候，会预分配更大的空间作为内存池。

也就是说，当我们调用brk()系统调用申请堆内存，仍然会为我们分配超过128KB字节的内存。即使你 malloc()的内存远小于128k也是一样。

为什么malloc要使用内存池来进行管理呢？

1. 提高效率：内存池预先分配一大块内存，然后在需要时从中分配小块，减少了频繁调用系统级别的内存分配开销（brk()\mmap()）「每次调用 sbrk 或 mmap 时，程序需要从用户态切换到内核态，这个切换过程本身就有一定的开销；陷入内核态也涉及到了系统需要更新内存管理的数据结构，如页表和内存分配表，需要额外的时间；再一个，为了保证内存分配的线程安全，内核需要处理同步和锁管理，增加了开销」。

现在你还觉得每次调用malloc都会陷入内核态吗？

2. 减少了内存碎片，内存池通过组织和管理内存块，能更好地利用内存空间，减少内存碎片，提高内存使用率。
3. 快速释放和重用，跟第一点一样，在池内管理，避免了系统调用的高开销。

free释放内存，会马上归还给操作系统吗？

看了malloc竟然开辟了内存池，你觉得free会把内存归还给操作系统吗？

这里直接说结论：

通过 free 释放内存后，堆内存还是存在的，并没有归还给操作系统。当然，当进程退出后，操作系统就会回收进程的所有资源。

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但是！

如果我们使用mmap方式申请内存，free释放内存后就会马上归还操作系统。

总结：

• malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
• malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

即然 brk 那么好，为什么不全部使用brk来分配？

我们考虑这样一个场景：

如果我们连续申请了 10k，20k，30k 这三片内存，如果 10k 和 20k 这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。

但是如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。

因此，随着系统频繁地 malloc 和 free ，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。

所以，malloc 实现中，充分考虑了 brk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128KB) 才使用 mmap 分配内存空间。