二、显式分配器

C标准库提供了 malloc 程序包作为显式分配器，包括 malloc 、 calloc 、 realloc 、 free 函数。malloc返回一个指针，会自动数据对齐。32系统分配的块的地址总是8的倍数，64位系统是16的倍数。malloc不初始化他返回的内存，calloc将内存初始化为0，realloc改变一个以前分配的大小。

动态存储分配器可以使用 mmap 和 munmap 函数显式地分配和释放堆，还有 sbrk 函数：

#include <unistd.h>

/** 将内核的brk指针增加increment来扩展和收缩堆，increment为0时返回brk当前值
 * @return      返回brk的旧值，出错返回-1，并设errno为ENOMEM */
void *sbrk(intptr_t increment);

显式分配器有一些约束条件：

• 能够处理任意（分配和释放）请求的序列，释放请求必须对应以前分配请求分配的块。
• 立即响应请求。
• 对齐块，使可以保存任何类型的数据对象，因此大多数系统中分配器返回的块为8字节对齐的。
• 不修改已分配的块。

     分配器力图做到吞吐量最大化和存储器利用率最大化，在两者之间平衡。吞吐量指单位时间内完成的请求数，一般要求分配请求的最差运行时间和空闲块的数量成线性关系，释放请求的运行时间为常数。描述存储器利用率常用峰值利用率，即请求序列的某个时刻时已分配的总有效载荷和堆的当前大小（为整个请求序列时间的最大值）的比值。

     碎片会造成堆的利用率低，产生于未使用的存储器不能满足分配请求的情况。有内部碎片和外部碎片。内部碎片在已分配块比有效载荷大时发生，比如由于对齐要求。外部碎片在没有单独的空闲块足够满足请求时发生，尽管它们合起来足够大。

     分配器需要处理空闲块的组织，放置、分隔和合并块。实际的分配器会使用一些数据结构来区别块边界，已分配块和空闲块。

三、隐式空闲链表

下图中示意了用隐式空闲链表来组织堆的方式。

简单的堆块的格式和隐式空闲链表的组织

1、放置块时，分配器搜索空闲链表，常见有首次适配、下一次适配和最佳适配的放置策略。首次适配从头开始搜索空闲链表，下一次适配从链表的上一次查询结束的地方开始搜索，最佳适配检查所有空闲块，选择最小满足的。下一次适配运行最快，但利用率低得多；最佳适配最慢，利用率最高。

2、分配器找到匹配的空闲块后，根据情况可能分割它。如果没有合适的空闲块，合并空闲块来创建更大的空闲块。如果还是不能满足需要，分配器向内核请求额外的堆存储器，转成空闲块加入到空闲链表中。

3、分配器可以选择立即合并或推迟合并，一般为防止抖动，会采用某种形式的推迟合并。

4、合并需要在常数时间内完成，对于空闲链表来说，它是单链表，可以方便地查看后面的块是否空闲块，但前面的块则不行，一个好办法是在块的脚部使用边界标记，它是头部的副本，这样就可以在常数时间查看前后块的类型了。为了避免边界标记占用空间，可以只在空闲块中加边界标记。

四、显式空闲链表

　　对于通用的分配器，隐式空闲链表并不适合，因为它的块分配和堆块的总数呈线性关系。可以在空闲块中增加一种显式的数据结构。下面是双向空闲链表的堆块的格式。双向链表使首次适配时间从块总数的线性时间减少到了空闲块数的线性时间。

双向空闲链表的堆块的格式

显式链表的缺点是空闲块必须足够大来包含结构，这增大了最小块的大小，也潜在提高了内部碎片的程度。

六、垃圾收集

垃圾收集器是一种动态存储分配器，自动释放程序不再需要的已分配块（垃圾）。支持垃圾收集的系统中，应用显式分配堆块，但从不显式释放它们。

垃圾收集器将存储器视为一个有向可达图，节点分为根节点和堆节点，堆节点对应堆中的已分配块，根节点对应包含指向堆中的指针但不在堆中的位置，如寄存器、栈里的变量、虚拟存储器中读写数据区域内的全局变量。当存在根节点到p的有向路径时，称p是可达的，不可达节点无法被应用再次使用，即为垃圾。

Java等语言对于创建和使用指针有严格的控制，能够回收所有垃圾。C/C++语言的垃圾收集器通常不能维护可达图的精确表示，称为保守的垃圾收集器，它不能回收所有垃圾。