调用malloc 之后发生了什么？？？？

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4.5.1 堆管理的相关库函数

在ISO C中规定了三个动态分配内存的函数，分别是： 
        void *malloc(size_t size); 
        void *calloc(size_t nmemb, size_t size); 
        void *realloc(void *ptr, size_t size); 
在这三个库函数中，大家最常用的就是malloc。调用malloc函数可以分配长度为size的内存空间,内存空间的数据没有初始化。其返回值就是指向这段被分配空间的指针。calloc和malloc相似,只不过返回的是一个有nmemb个元素的数组，每个元素的大小是size bytes。也就是分配了nmemb*size大小的内存空间，并将空间内的数据都初始化为0。

4.5.2 堆管理的相关系统调用

malloc系列函数的实现与Linux中提供的两个基本调用是分不开的： 
    int brk(void *end_data_segment); 
    void *sbrk(intptr_t increment); 
brk: brk()的作用和它的名字一样用于打破系统给进程设置的访存限制，用于设定进程的内存边界。如前文所述，堆是从虚存低地址向高地址增长。brk()用于设定堆访存的上限，也就是堆顶。就像是一个盖子，随着堆的分配释放而上下移动。在这个盖子之下的内存空间，操作系统都认为是合法的。与brk()相关的还有一个sbrk()函数，sbrk()不是系统调用，而是一个库函数。sbrk(+/-n)意味着将当前访存的上限增加/减少n个字节。 
    
    void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fildes, off_t off); 
    int munmap(void *addr, size_t len); 
mmap: mmap()的使用较brk()更为灵活，用途也更为广泛。可以将虚拟内存地址映射到文件，共享内存等，方便用户以访存的方式读写文件，完成进程间通信。当然映射后虚存地址就变为合法的了。所以在堆分配的时候，常常借用mmap能向进程添加可访问虚存空间的能力，加之并不需要读写文件等别的要求，所以一般用匿名映射(MAP_ANONYMOUS)来完成。munmap与之所做的事情相反，常用以释放mmap分配的虚存。

4.5.3 堆的内部管理

当malloc()分配内存的时候，首先会先调用上面提到的brk()或者mmap()来向操作系统申请一块内存。其实也就是让操作系统知道这块内存的虚存地址是有效的。在使用这些虚存地址的时候为其分配相应的物理内存，而不是报Segmentation fault. 
    ... 
    int *l = sbrk(0); 
    k=l+1023; 
    printf("k=%d,at %p\n",*k,k); 
    ... 
    运行程序将会抛出： 
    Segmentation fault 
    
    如果改为： 
    ... 
    int *l = sbrk(0); 
    sbrk(1); 
    k=l+1023; 
    printf("k=%d,at %p\n",*k,k); 
    ... 
    程序将正常运行，并输出： 
    k=100,at 0x804affc 
    
第一段代码出错是因为程序访问了还没分配的内存，超过了当前堆的上限。第二段代码使用了sbrk(1)动态分配了内存，所以访问就成功了。注意虽然这里sbrk(1)，表面上只把当前堆增加了1个字节。但是因为系统的内存分配是以页为单位的，当前堆实际增加了4KB, 因此对k = l+1023的访问也是合法的。 
    
brk()和mmap()虽然在内存分配的时候用途一样，但是各有各的优点，每次brk()的虚存空间是连续的，便于合并，重用，并更为节省页对齐浪费的空间，但是可能形成内存空洞(见下文)，适合较小的内存分配。mmap()不会像brk()那样形成空洞，但不能复用，合并。且开销和具体的平台相关，并会把分配的内存初始化为0，所以适合大空间的分配。在dlmalloc中，如果malloc分配的内存小于128KB, 使用brk()来增加进程使用的内存。如果分配的内存大于等于128KB，则使用mmap()来分配内存(128KB这个值在不同的平台上是可调的)。 
    下面来看一个例子： 
    ... 
    int *heap_var = malloc(sizeof(int)); //较小的内存块分配请求 
    int *large_var = malloc(256*1024);    //较大的内存块分配请求 
    printf("Address of heap_var (Heap):%p\n",heap_var); 
    printf("Address of large_var (Heap):%p\n",large_var); 
    ... 
    输出结果为： 
    Address of heap_var  (Heap):0x804a008 
Address of large_var (Heap):0xb7db2008 
    
    如果用strace命令跟踪，可以发现这段代码执行了如下的系统调用： 
    brk(0x806b000)                          = 0x806b000 
    mmap2(NULL, 266240, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7db2000 
我们可以清楚地看到，对于较小的内存分配，使用了brk()系统调用，对于较大的内存块分配请求，使用了mmap系统调用。并且我们发现这两个地址相差较远，所以堆区常又被分为两个部分，一个是brk分配的内存，通常位于低地址。另一个是mmap分配的内存，也叫地址映射区，通常位于高地址。当然用不同系统调用分配的内存，也可以混合管理，这取决于具体的实现。

4.5.3.2 堆空间的内存管理

接下来就是要对用brk和mmap分配好内存进行管理了。因为brk()，mmap()是系统调用，如果每次调用malloc动态分配内存都执行一次系统调用，那开销是比较大的。再者，如果每次申请的内存较小，但是系统分配的内存都是固定大小的倍数(一般是4KB,一页)，这样就会有大量的浪费。所以malloc一般会实现一个内存堆来管理这些内存,malloc分配的内存都会以若干chunk的方式放到内存堆中。每次用户调用malloc动态分配内存的时候，malloc会先到内存堆里进行查找，如果内存堆里没有合适的空闲chunk，再利用brk/malloc系统调用分配一大块内存，然后把新分配的大块内存放到内存堆中，并生成一块合适的chunk块返回给用户。当用户用free释放chunk的时候，可能并不立即使用系统调用释放内存，而是将释放的chunk作为空闲chunk加入内存堆中，和其他的空闲chunk合并，便于下次分配的时候再次使用。 
    
一般说来，释放的chunk如果标记为mmap申请的，则使用munmap释放。如果是brk申请的，进一步判断堆顶之下的空闲chunk是否大于128KB，如果是，则使用brk()释放。如果小于128KB，仍由内存堆维护。这样对brk()的使用就会有个问题，当brk()释放的内存块在堆顶之下，且内存块到堆顶之间还有未释放的内存。那么这块内存的释放将不会成功，从而形成内存空洞。 
    
malloc中为每块chunk都会分配一个数据结构用于管理，也就是chunk head。chunk head有多大？我们来看看malloc(0)时的情况。 
    ... 
    int *heap_var = malloc(0); 
    int *heap_var1 = malloc(0); 
    printf("Address of heap_var: %p\n",heap_var); 
    printf("Address of heap_var1: %p\n", heap_var1); 
    ... 
    这段代码的输出为： 
    Address of heap_var: 0x804a008 
    Address of heap_var1: 0x804a018 
两者指向的位置相差了16个字节，可以看出，对于malloc(0)，也会分配16个字节供chunk head使用，即便这个chunk内包含的内存大小为0。而在c99标准中则对malloc(0)的返回未定义。chunk head中记录的一个很重要的信息就是当前chunk的大小。当malloc一块chunk的时候，malloc的内存大小就存放在chunk head中，释放的时候通过地址指针，找到相应块的chunk_head，从而知道要释放的chunk大小。这也是为什么我们在malloc的时候需要指定分配内存的大小，而释放的时候只需要给出释放内存的地址指针就行了。如果free(p)时的指针不是malloc时得到的，那么malloc就会报Segmentation fault，或者./chunk: free(): invalid pointer。

小结: 
1. 无论是堆，还是栈都是对虚存的操作和管理。 
2. 系统调用brk()和mmap()用来动态分配虚存空间，也就是表明这些虚存地址是合法的，访问的时候，系统应为其分配物理内存，而不是报错。 
3. 堆的本质是动态申请的虚存空间。理论上可以用任何方式去管理这块空间。但数据结构--"堆"是最常用的一种，所以这块分配的空间常称为被堆。 
4. 和栈不一样，堆的管理是在用户函数库中进行，malloc/free等函数是堆的入口。 
5. 每次分配的内存块大小都会被记录下来，释放的时候只需要指定要释放的内存地址就行了。这就是为什么malloc的时候要指定大小，free的时候不用。 
6. 堆和栈一样，仍然使用了物理内存的延迟分配策略。

补充：

kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA.

调用malloc 之后发生了什么？？？？

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原文地址：https://www.cnblogs.com/lucelujiaming/p/9480854.html