前言

    堆内存是linux进程空间中一片可以动态扩展或者伸缩的内存区域，一般位于bss之后。

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    主要有以下几个函数：

#include<stdio.h>
void *malloc(int size);
void free(void *ptr);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
void *realloc(void *ptr,size_t size);   /*可以调整内存的大小*/

    对于着四个函数的用法，可以百度。

一、堆内存管理

    一般在裸机环境下，在经过多次申请和释放堆内存后，会有越来越多的碎片内存，致使后续申请失败，所以在裸机环境中，很少见到使用堆内存的。绝大多数还是通过操作系统进行管理。

二、linux堆内存管理

1.mm_struct

    对于用户申请小内存块，会在bss段的后面批准一块内存给内存使用；当大于128KB时，则需要通过mmap系统调用，映射一片内存给用户使用，映射区域在用户进程栈附近。
    在每一个linux用户进程中，linux内核都会使用一个task_struct 结构体描述，其中，有mm_struct结构体，用来描述该进程的代码段，数据段，堆栈的起始地址。

struct mm_struct{
....
unsigned long mmap_base;
unsigned long start_code,end_code,start_data,end_data;
unsigned long start_brk,brk,start_stack;
unsigned long arg_start,arg_end,env_start,env_end;

mm_context_t contest;
...
}

    start_brk 是便是堆区的起始地址，brk则是结束边界地址。当用户malloc()申请堆区大小大于当前堆区时，malloc()通过brk()系统调用，修改brk的地址，来改变大小。

2.内存分配器

    为了减小系统调用的次数，提高效率，可以在用户层面对堆内存介入管理。

    内存分配器通过系统调用brk()/mmap()向linux内存管理子系统“批发”内存，同时实现了malloc()/free(),供用户使用。
    当用户使用free()释放内存时，释放的内存并不立即返回给内核，而是通过内存分配器缓存在用户空间，通过链表收集起来，等下次用户在申请时，查找合适大小的，如果没有，再去brk()系统调用。

在这里插入图片描述

3.ptmalloc2

深入理解 glibc malloc：内存分配器实现原理
Glibc内存管理-ptmalloc2
内存管理：malloc的bin和特殊chunk

    Linux下的c标准库glibc使用ptmalloc2作为内存分配器。对于用户申请的每一个内存块都叫成chunk:

struct malloc_trunk
{
	INTERNAL_SIZE_T mchunk_prev_size;
	INTERNAL_SIZE_T  mchunk_size;
	struct malloc_chunk* fd;
	struct malloc_chunk* bk;
	struct malloc_chunk* fd_nextsize;
	struct malloc_chunk* bk_nextsize;	
}

    用户释放掉的内存并不是马上就归还给操作系统，ptmalloc会统一管理heap和mmap映射区中的空闲的chunk，当用户进行下一次请求分配时，ptmalloc会试图从空闲的内存中挑选一块给用户，这样可以避免频繁的系统调用，降低了内存​分配的开销。ptmalloc将大小相似的chunk用双向循环链表连接起来，这样的一个链表称为bin。ptmalloc中一共维护了128个bin，并使用一个数组来存储这些bin（数组实际存储的是指针）。

在这里插入图片描述
    用户释放掉的内存块不会立即放到bins中，而是先放到unsorted bin 上，等下次申请会先在中查看有没有合适的。在free small bin和large bin后，free chunk会被放入unsorted bin中，这样可以加快内存的分配和释放操作，因为不需要花费额外的时间去查找合适的bin了

分类数组索引内存块大小步长个数
unsorted bin--1
small bins[2,63][16,504]862
small bins[64,94][512,2488]6431
small bins[95,111][2496,10744]51217
small bins[112,120][10752,45048]40969
small bins[121,123][45056,163832]327683
small bins[124,126][163840,786424]2621443
small bins[127][786432,2^64]-1

    还有一些bins,如fast bin,用户释放掉的内存块小于M_NAXFAST(32位默认64字节)会首先放到fast bin.
总的讲：

当用户申请一块内存时，内存分配器就根据申请内存的大小从bins查找合适的内存块。当然这些零碎的内存块也会在合适的情况下合并。

当用户申请大于128KB内存，则需要mmap.
Linux内存分配小结–malloc、brk、mmap

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