malloc 两种实现方式：brk 和 mmap

从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk 和 mmap（不考虑共享内存）。

• brk 的实现方式是将 Data Segment 的最高地址指针 _edata 往高地址推（分配的内存小于 128k ）。
• mmap 的实现方式是在 Memory Mapping Segment 找一块空闲的虚拟内存（分配的内存大于 128k ）。

这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

在标准 C 库中，提供了 malloc / free 函数分配释放内存，这两个函数底层是由 brk，mmap，munmap 这些系统调用实现的。

示例

1、进程调用 A = malloc ( 30k ) 以后，内存空间如下图所示。malloc 函数会调用 brk 系统调用，将 _edata 指针往高地址推 30K，就完成虚拟内存分配。

你可能会问：只要把_edata + 30K 就完成内存分配了？

事实是这样的，_edata + 30K 只是完成虚拟地址的分配，A 这块内存现在还是没有物理页与之对应的，等到进程第一次读写 A 这块内存的时候，发生缺页中断，这个时候，内核才分配 A 这块内存对应的物理页。也就是说，如果用 malloc 分配了 A 这块内容，然后从来不访问它，那么，A 对应的物理页是不会被分配的。 

2、进程调用 B = malloc(40K) 以后，内存空间如下图所示。

3、当 malloc 分配大于 128k 的内存时，使用 mmap 分配内存。在堆和栈之间找一块空闲内存分配（对应独立内存，而且初始化为 0 ）。

这么做的原因是 brk 分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放（例如，在 B 释放之前，A 是不可能释放的，这就是内存碎片产生的原因，什么时候收缩看下面），而 mmap 分配的内存可以单独释放。，如下图所示，这里分配 200k 。

4、进程调用 D = malloc(100k) 以后，内存空间如下图所示。

5、进程调用 free(C) 以后，C 对应的虚拟内存和物理内存一起释放。

6、进程调用 free(B) 以后，如下图所示，B 对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个 _edata 指针，如果往回推，那么 D 这块内存怎么办呢？当然，B 这块内存是可以重用的，如果这个时候再来一个 40K 的请求，那么 malloc 很可能就将 B 这块内存返回的。 

7、进程调用 free(D) 以后，如下图所示，B 和 D 连接起来变成一块 140K 的空闲内存。当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由 M_TRIM_THRESHOLD 选项调节）时，执行内存紧缩操作（trim）。在上一个步骤 free 的时候，发现最高地址空闲内存超过 128 K，于是内存紧缩，如下图所示。

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