malloc底层实现

malloc本质是一个“用户态内存管理器”它向操作系统批量要内存（brk / mmap），然后在用户态把这些内存切块、复用、合并、回收。

从你调用malloc开始发生了什么？

void* p = malloc(100);

真实流程大概是：

malloc(100)
↓
glibc 的 ptmalloc
↓
1. 在进程已有的堆中找合适的空闲块
2. 找不到 → 向 OS 申请新内存
├─ 小块：brk 扩展堆
└─ 大块：mmap 映射匿名内存

重点：
malloc不是每次都系统调用，绝大多数是用户态完成的。

进程的“堆”长什么样？

低地址
┌────────────┐
│ text/code │
├────────────┤
│ data/bss │
├────────────┤
│ heap │ ← brk 向上增长
│ │
├────────────┤
│ ... │
├────────────┤
│ stack │ ← 向下增长
└────────────┘
高地址

heap是 malloc 主要活动区域

brk()/sbrk()扩展

连续虚拟地址

glibc malloc 的核心实现：ptmalloc

Linux 下默认是ptmalloc

malloc 管理的“内存块”结构

┌───────────────────────┐
│ prev_size (可选) │
├───────────────────────┤
│ size | flags │ ← 是否空闲 / mmap
├───────────────────────┤
│ 用户数据区 │ ← malloc 返回的指针
│ │
├───────────────────────┤
│ (空闲时) fd / bk │ ← 双向链表指针
└───────────────────────┘

size 字段里藏了“位标志”

size = 实际大小 | PREV_INUSE | IS_MMAPPED | ...
malloc 能 O(1) 合并相邻 free 块，靠的就是这些 flag。

free 链表 & bin 体系

glibc 用多级 bin管理不同大小的内存块。

fastbin

很小的内存（≤ 64B 左右）

单向链表free

不合并，直接塞进去

极快，但容易产生碎片

small bin

精确大小分类

​双向链表

free 时可以合并

large bin（大块）

按大小范围分

近似 best-fit

适合 1KB~128KB

unsorted bin

所有free的块先放这里

free() ↓ unsorted bin ↓ malloc 时再决定进哪个 bin 减少 bin 操作开销

malloc 的查找策略

malloc(n) 的步骤

malloc(n) 的步骤

对齐 + 最小块大小修正

优先查：

fastbin

small bin

找不到：从 unsorted bin 拆

还没有：

large bin

再不行：

向 OS 要内存

什么时候用 brk？什么时候用 mmap？

mmap 的特点

独立虚拟内存区

free直接munmap

不污染堆

避免堆碎片