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为什么free()时不需要传指针大小

编程日记 2024-10-17 23:00:00

malloc()和free()是c中两个非常基本的函数，但这种最基本的东西往往都是特别复杂的。
malloc和free的原形如下：

void *malloc(unsigned int num_bytes);
void free(void *ptr);

在c的标准中并没有定义这两个函数的具体实现，在我们最常用的gcc中，malloc使用的是ptmalloc的实现，最早由Doug Lea完成，并被Wolfram Gloger改进以支持多线程。
malloc的具体实现过于复杂，这里就不具体展开了。
总体上说，ptmalloc的内存管理是基于内存池的，而它的内存来源有两种：
1 通过brk()获得
2 通过mmap()匿名映射获得
这两种获得内存的方式分别对应于进程地址空间的不同部分。64位linux进程的默认内存布局如下：

对于其中的Heap区域，就是我们通常意义上的堆空间，这部分内存将通过brk()获得。brk()的原理非常简单，只涉及指针的上下移动，也就是只分配虚拟地址空间，而不分配物理内存，当实际访问到此内存时，将触发page fault异常由操作系统完成物理内存的分配。由于操作简单，所以brk的效率非常高。
而另一个Memory Mapping Region区域，简称mmap区域，将通过操作系统的mmap()函数获得。mmap区域不仅可以提供内存的分配，还可以映射文件，比如通过mmap打开文件，或者加载so文件等等。
mmap函数的原形如下：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

其中的flags，在使用mmap分配内存时，设置为MAP_ANONYMOUS，也就是匿名映射。当使用mmap()映射内存时，操作系统默认将对这块内存执行清0操作，因此相比于brk，mmap的效率相对较低。
基于内存池的内存管理，本质上都是把变长的内存分配转换为定长的内存分配。因为只有定长，才可以复用。
ptmalloc的内存池结构大致如下：

可以看出，内存的分配将根据实际的大小，选择定长块。比如请求的内存是23字节，那么将分配一块24字节的内存，而请求的如果是25字节，那么将分配一块32字节的内存（对于大于512字节的数据，统一存储在large bin中）。具体的分配策略就不展开了。
每一种大小的内存，都组成了一个一个的队列，在这些队列里维护了一个双向链表，将所有的小块内存串联起来。每一个小块内存（chunk）的结构如下：

上面的这个结构是一块在使用中的内存的状态。其中的mem部分，则是返回给用户的void*指针位置。而最开始的两个结构：size of previous chunk，和 size of chunk，则用于维护全局内存的链表。
之所以说是全局内存的链表，是由于内存分配时是先向系统请求一个比较大的内存块（64位系统一般为64Mb），之后从这64Mb内存中切出用户需要的大小分配给用户。而为了维护分配出去的内存块之间的关系，通过前两个结构来使所有内存块构成一个大的链表，当回收内存时，通过这个全局链表，将所有空闲内存组合起来，还给操作系统，其中有3个标记位：A，M，P，P标识前一块内存是否空闲。
下面的结构就是一块空闲内存的状态：

相比于使用中的状态，空闲部分的内存增加了4个新的结构（Forward pointer to next chunk in list 等，其中fd_nextsize和bk
_nextsize只存在于large bin中），这4个结构用于维护每个定长内存队列的双向链表结构，这个链表的存在主要是为了分配时查找内存时足够便利，可以基本上保证分配内存时的平均复杂度维持在O(1)。

在有了前面所有的介绍之后，可以总体上描述一下malloc和free的基本流程：
当用户向ptmalloc请求内存时：
1 首先查找定长内存分配池，如果查找到则返回
2 如果没有空闲内存可供使用，则向操作系统申请一块64Mb的内存，从中切出用户需要的内存，返回
当用户调用free释放内存时：
1 直接将内存放入适当的定长内存池队列
2 如果触发了一定的条件，则将所有空闲内存合并，如果满足释放条件，将内存全部还给操作系统

当然了，上面的描述中省略了太多的细节。比如什么时候走brk什么时候走mmap，再比如当请求的内存大于一个阙值时，ptmalloc将会变成一个mmap的简单封装，还有触发内存归还操作系统的条件等等。
不过已经足够回答题目中的问题了：因为malloc的时候记录了大小。
这里还可以得出另一个结论：由于malloc的时候记录了大量的状态，所以在频繁使用malloc分配小内存时，会造成大量的内存浪费。举例来说，当反复malloc(1)时，每一次分配的内存在32字节：包括size of previous chunk，size of chunk，bk_chunk_pointer，fd_chunk_pointer共4个指针，合计4 * 8 = 32字节....

作者：littlersmall
链接：https://www.jianshu.com/p/871e63168033
來源：简书
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