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底層實現與兩個系統調用
本篇講講malloc底層是如何實現的。
在32位系統裏，進程地址空間分爲以下幾塊：代碼段（.text）、數據段（.data）、堆、棧、內核空間（3G-4G）。
其中堆和棧中間空着一塊區域，在使用malloc和free時，就是在這片空間上進行操作。
malloc可能使用兩種系統調用，當malloc（size）裏的size小於128k（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節）時，使用brk調用，size大於128k時，使用mmap調用。
缺頁中斷
當一個進程發生缺頁中斷的時候，進程會陷入核心態，執行以下操作：
1）檢查要訪問的虛擬地址是否合法
2）查找/分配一個物理頁
3）填充物理頁內容（讀取磁盤，或者直接置0，或者什麼都不做）
4）建立映射關係（虛擬地址到物理地址的映射關係）
5）重複執行發生缺頁中斷的那條指令
可以看到，在未讀寫數據時，是不分配物理內存的！懶惰就是力量！
1、size小於128k，使用brk
我們通過控制堆頂指針（_edata）實現brk調用的虛擬內存分配。但不對應物理內存(因此沒有初始化)，第一次讀/寫數據時，引起內核缺頁中斷，內核才分配對應的物理內存，然後虛擬地址空間建立映射關係
brk引起的碎片問題
brk實際上只是用一個指針，標誌了可能分配了虛擬內存的高位地址（在_edata以下可能有分配虛擬內存)。brk分配的內存需要等到高地址內存釋放以後才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的，因爲只有一個_edata 指針，這就是內存碎片產生的原因）
顯而易見的一個問題就是，一個指針沒辦法標誌其中的空閒內存、已分配內存。如果我們連續只分配而不釋放，很快就會產生小內存碎片。mmap分配的內存可以單獨釋放。
那麼問題來了，什麼時候釋放？
當最高地址空間的空閒內存超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）時，執行內存緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發現最高地址空閒內存超過128K，於是內存緊縮。詳細例子見後文，先來講講mmap。
2、size大於128k，使用mmap
圖4是調用malloc（200K）的結果，底層使用mmap分配了空間C，圖5是調用malloc（100K）的結果，底層使用brk分配了空間D，free（C）可以輕鬆釋放虛擬內存和物理內存。mmap分配的內存真的很好釋放！
B是brk調用分配的內存空間，free（B）會發生什麼呢？
free(B)不會改變_edata的位置，也不會釋放物理內存和虛擬內存，在此基礎上調用free(D)卻可以完成我們想完成的事情！這是因爲free內部執行了內存緊縮操作（trim）！這裏的內存緊縮僅發生在堆頂端的空閒空間大於128K時（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）。
malloc失敗
首先，瞭解一下內存分配的機制。
OS將空閒內存塊的地址鏈接爲一個鏈表，方便用戶在申請內存時可以快速定位到空閒內存塊。由於鏈表的特性，空閒內存鏈表的插入對應舊內存塊釋放，刪除對應新內存塊申請，效率很高。
但是並不是每次malloc都能成功，原因可能有：
1、申請的內存超過了當前空閒內存的大小
（如果由於外部碎片而沒有一整塊內存可以滿足申請的內存大小，OS是否會先進行碎片整理？未知…）
2、存在內存越界訪問，破壞了malloc對應內存的信息
爲了對malloc失敗的情況進行錯誤處理，需要注意代碼的健壯性：
if (A=（DATA *)malloc（sizeof（DATA））) == NULL)
goto err;
...
err:
//錯誤處理代碼
這裏可以用do…while(0)替代goto
關於do…while(0)可以參考https://blog.csdn.net/jojozym/article/details/104847877
計算機真是太妙了！
malloc與new辨析
1、性質不同
malloc和free是庫函數，new和delete是運算符。
2、使用方法不同
malloc的作用是找到一塊空閒內存，並且返回該內存的起始地址，類型是(void*)，因此使用上是這樣的形式:
int *a=(int *)malloc(sizeof(int)*len);//len是int數組的長度
如上所示，必須進行強制轉換(int *)。
int *a=new int[len];
而new後跟着int，已經指定了數據類型，所以不需要強制轉換。
3、發生錯誤時的處理不同
new會拋出異常，malloc返回NULL表示開闢內存失敗
4、釋放形式在某些情形不同
malloc開闢的空間，使用free逐一釋放。（如果是多維數組，從最內一層開始釋放）
new開闢的空間，如果是用於數組，必須使用delete[]。
5、new底層調用了malloc