【C语言】一文详解 malloc / free 分配内存和释放内存相关问题

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malloc 如何分配内存？

malloc 分配的是物理内存吗？

malloc 为什么不全部使用 mmap 来分配内存？

malloc 为什么不全部使用 brk 来分配内存？

free 释放内存，会立即归还给操作系统吗？

free 函数只传入一个内存地址，为什么会知道要释放多大的内存？

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malloc 如何分配内存？

实际上，malloc 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。在 Linux 操作系统中，malloc 会采用两种方式向操作系统申请堆内存。

• 方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存；
• 方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存。

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将堆顶指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：

 方式二则是通过 mmap 系统调用中私有匿名映射的方式，在文件映射区分配一块内存，如下图：

什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

• 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
• 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

看看 man 手册怎么说

Normally, malloc() allocates memory from the heap, and adjusts the size of the heap as required, using sbrk(2). When allocating blocks of memory larger than MMAP_THRESHOLD bytes, the glibc malloc() implementation allocates the memory as a private anonymous mapping using mmap(2).MMAP_THRESHOLD is 128 kB by default, but is adjustable using mallopt(3). Prior to Linux 4.7 allocations performed using mmap(2) were unaffected by the RLIMIT_DATA resource limit; since Linux 4.7, this limit is also enforced for allocations performed using mmap(2).

通常，malloc() 从堆中分配内存，并使用 sbrk(2) 根据需要调整堆的大小。分配内存块时大于MMAP_THRESHOLD字节，glibcmalloc() 实现使用 mmap(2)将内存分配为私有匿名映射。MMAP_THRESHOLD 默认为128 kB，但可以使用 mallopt(3) 进行调整。在Linux 4.7之前，使用 mmap(2) 执行的分配不受影响。RLIMIT_DATA资源限制；自Linux 4.7以来，对于使用mmap（2）执行的分配也强制执行了此限制。

malloc 分配的是物理内存吗？

malloc() 分配的是虚拟内存。如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。

只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

malloc 为什么不全部使用 mmap 来分配内存？

因为向操作系统申请内存，是要通过系统调用的，执行系统调用是要进入内核态的，然后在回到用户态，运行态的切换会耗费不少时间。

所以，申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用 mmap 来分配内存，等于每次都要执行系统调用。

另外，因为 mmap 分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。

也就是说，频繁通过 mmap 分配内存，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致 CPU 消耗较大。

为了改进这两个问题，malloc 通过 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。

等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低 CPU 的消耗。

malloc 为什么不全部使用 brk 来分配内存？

通过 brk 从堆空间分配的内存，释放后不会归还给操作系统，那么我们那考虑这样一个场景。

如果我们连续申请了 10k，20k，30k 这三片内存，如果 10k 和 20k 这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。

但是如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。

因此，随着系统频繁地 malloc 和 free，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片。

所以，malloc 实现中，充分考虑了 brk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128KB) 才使用 mmap 分配内存空间。

free 释放内存，会立即归还给操作系统吗？

• malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，下次申请内存时若大小符合，将直接分配这段此前释放掉的内存，以提高内存申请的效率；
• malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

free 函数只传入一个内存地址，为什么会知道要释放多大的内存？

使用 malloc 申请内存时，会在 malloc 返回的地址之前分配一部分内存用来存放内存块的描述信息，里面包含该内存块的大小等。

这样当执行 free 函数时，free 会对传入进来的内存地址向左偏移，然后从这段内存信息块里分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。