malloc函数的一种简单的原理性实现[转]

malloc（）是 C 语言中动态存储管理的一组标准库函数之一。其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为 size 的连续空间。其参数是一个无符号整形数，返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针

malloc（）工作机制

　　 malloc函数的实质体现在，它有一个将可 用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用 malloc 函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分 为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连 接表上。调用 free 函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空 闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是， malloc 函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲 块合并成较大的内存块。 

malloc（）在操作系统中的实现

　　在 C  程序中，多次使用 malloc ()  和  free() 。不过，您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示  malloc  和  free  的一个最简化实现的代码，来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。
　　在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：
　　void *malloc (long numbytes) ：该函数负责分配  numbytes  大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。
　　void free(void *firstbyte) ：如果给定一个由先前的  malloc  返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的 “ 空闲空间 ” 。

　　malloc_init  将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：

         //清单  1.  我们的简单分配程序的全局变量

         int  has_initialized = 0;
         void  *managed_memory_start;
         void  *last_valid_address; 如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者 当前中断点。在很多 UNIX?  系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用  sbrk(0)  函数。  sbrk  根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数  0  只是返回当前中断点。这里是我们的  malloc  初始化代码，它将找到当前中断点并初始化我们的变量：

清单 2.  分配程序初始化函数
/* Include the sbrk function */
 
#include 
void  malloc_init()
{
/* grab the last valid address from the OS */
last_valid_address = sbrk(0);
/* we don''t have any memory to manage yet, so
 *just set the beginning to be last_valid_address
 */
managed_memory_start = last_valid_address;
/* Okay, we''re initialized and ready to go */
 has_initialized = 1;
} 现在，为了完全地管理内存，我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了 free  调用之后，我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情，并且，在调用  malloc  时，我们要能够定位未被使用的内存块。因此，  malloc  返回的每块内存的起始处首先要有这个结构：

//清单  3.  内存控制块结构定义
struct  mem_control_block {
     int  is_available;
     int  size;
}; 现在，您可能会认为当程序调用 malloc  时这会引发问题  ——  它们如何知道这个结构？答案是它们不必知道；在返回指针之前，我们会将其移动到这个结构之后，把它隐藏起来。这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的 内存。那样，从调用程序的角度来看，它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后，当通过  free()  将该指针传递回来时，我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。

 

 

整个的结构图如下：

 

 

图1 malloc管理结构图

 

　　在讨论分配内存之前，我们将先讨论释放，因为它更简单。为了释放内存，我们必须要做的惟一一件事情就是，获得我们给出的指针，回退 sizeof(struct mem_control_block)  个字节，并将其标记为可用的。这里是对应的代码：

清单 4.  解除分配函数
void  free( void  *firstbyte) {
     struct  mem_control_block *mcb;
/* Backup from the given pointer to find the
 * mem_control_block
 */
   mcb = firstbyte -  sizeof ( struct  mem_control_block);
/* Mark the block as being available */
  mcb->is_available = 1;
/* That''s It!  We''re done. */
   return ;
} 如您所见，在这个分配程序中，内存的释放使用了一个非常简单的机制，在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码：

//清单  6.  主分配程序
void  *malloc( long  numbytes) {
     /* Holds where we are looking in memory */
     void  *current_location;
     /* This is the same as current_location, but cast to a
    * memory_control_block
    */
     struct  mem_control_block *current_location_mcb;
     /* This is the memory location we will return.  It will
    * be set to 0 until we find something suitable
    */
     void  *memory_location;
     /* Initialize if we haven''t already done so */
     if (! has_initialized) {
        malloc_init();
    }
     /* The memory we search for has to include the memory
    * control block, but the users of malloc don''t need
    * to know this, so we''ll just add it in for them.
    */
    numbytes = numbytes +  sizeof ( struct  mem_control_block);
     /* Set memory_location to 0 until we find a suitable
    * location
    */
    memory_location = 0;
     /* Begin searching at the start of managed memory */
    current_location = managed_memory_start;
     /* Keep going until we have searched all allocated space */
     while (current_location != last_valid_address)
    {
     /* current_location and current_location_mcb point
    * to the same address.  However, current_location_mcb
    * is of the correct type, so we can use it as a struct.
    * current_location is a void pointer so we can use it
    * to calculate addresses.
        */
        current_location_mcb =
            ( struct  mem_control_block *)current_location;
         if (current_location_mcb->is_available)
        {
             if (current_location_mcb->size >= numbytes)
            {
             /* Woohoo!  We''ve found an open,
            * appropriately-size location.
                */
                 /* It is no longer available */
                current_location_mcb->is_available = 0;
                 /* We own it */
                memory_location = current_location;
                 /* Leave the loop */
                 break ;
            }
        }
         /* If we made it here, it''s because the Current memory
        * block not suitable; move to the next one
        */
        current_location = current_location +
            current_location_mcb->size;
    }
     /* If we still don''t have a valid location, we''ll
    * have to ask the operating system for more memory
    */
     if (! memory_location)
    {
         /* Move the program break numbytes further */
        sbrk(numbytes);
         /* The new memory will be where the last valid
        * address left off
        */
        memory_location = last_valid_address;
         /* We''ll move the last valid address forward
        * numbytes
        */
        last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
         /* We need to initialize the mem_control_block */
        current_location_mcb = memory_location;
        current_location_mcb->is_available = 0;
        current_location_mcb->size = numbytes;
    }
     /* Now, no matter what (well, except for error conditions),
    * memory_location has the address of the memory, including
    * the mem_control_block
    */
     /* Move the pointer past the mem_control_block */
    memory_location = memory_location +  sizeof ( struct  mem_control_block);
     /* Return the pointer */
     return  memory_location;
 } 这就是我们的内存管理器。现在，我们只需要构建它，并在程序中使用它即可. 多次调用 malloc （）后空闲内存被切成很多的小内存片段，这就使得用 户在申请内存使用时，由于找不到足够大的内存空间， malloc （）需要进行内存整理，使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为 2 的幂的 内存块，而最大限度地降低潜在的 malloc 性能丧失。也就是说，所分配的内存块大小为 4 字节、 8 字节、 16 字节、  18446744073709551616 字节，等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段（各种尺寸的小片段都有）的数量。尽管看起来这好像浪 费了空间，但也容易看出浪费的空间永远不会超过 50% 。

 

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malloc函数
函数声明( 函数原型 ) ：
void *malloc(int size);
说明：malloc  向系统申请分配指定 size 个字节的内存空间。返回类型是  void*  类型。 void*  表示未确定类型的指针。 C,C++ 规定， void*  类型可以强制转换为任何其它类型的指针。
从函数声明上可以看出。malloc  和  new  至少有两个不同 : new  返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。比如：
int *p;
p = new int; //返回类型为 int*  类型 ( 整数型指针 ) ，分配大小为  sizeof(int);
或：
int* parr;
parr = new int [100]; //返回类型为  int*  类型 ( 整数型指针 ) ，分配大小为  sizeof(int) * 100;
而 malloc  则必须由我们计算要字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。
int* p;
p = (int *) malloc (sizeof(int));
第一、malloc  函数返回的是  void *  类型，如果你写成： p = malloc (sizeof(int));  则程序无法通过编译，报错： “ 不能将  void*  赋值给  int *  类型变量 ” 。所以必须通过  (int *)  来将强制转换。
第二、函数的实参为 sizeof(int)  ，用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成：
int* p = (int *) malloc (1);
代码也能通过编译，但事实上只分配了1 个字节大小的内存空间，当你往里头存入一个整数，就会有 3 个字节无家可归，而直接 “ 住进邻居家 ” ！造成的结果是后面的内存中原有数据内容全部被清空。
malloc 也可以达到  new []  的效果，申请出一段连续的内存，方法无非是指定你所需要内存大小。
比如想分配100 个 int 类型的空间：
int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下 100 个整数的内存空间。
另外有一点不能直接看出的区别是，malloc  只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。
除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过malloc 或 new 得到指针，在其它操作上保持一致。

 

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有了malloc/free  为什么还要 new/delete  ？
malloc 与 free  是 C++/C  语言的标准库函数， new/delete  是 C++ 的运算符。它们都可
用于申请动态内存和释放内存。
对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free  无法满足动态对象的要求。对象
在创建的同时要自动执行构造函数， 对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于
malloc/free 是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数
和析构函数的任务强加于malloc/free 。
因此C++ 语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符 new ，以及一个
能完成清理与释放内存工作的运算符delete 。注意 new/delete  不是库函数。
我们先看一看malloc/free  和 new/delete  如何实现对象的动态内存管理，见示例 7-8 。
class Obj
{
public :
Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void)
{
Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
a->Initialize(); // 初始化
//…
a->Destroy(); // 清除工作
free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
//…
delete a; // 清除并且释放内存
}
示例7-8  用 malloc/free  和 new/delete  如何实现对象的动态内存管理
类Obj  的函数 Initialize  模拟了构造函数的功能，函数 Destroy  模拟了析构函数的功
能。函数UseMallocFree  中，由于 malloc/free  不能执行构造函数与析构函数，必须调用
成员函数Initialize  和 Destroy  来完成初始化与清除工作。函数 UseNewDelete  则简单得

多。
所以我们不要企图用malloc/free  来完成动态对象的内存管理，应该用 new/delete 。
由