malloc free函式的簡單實現及思考

用於記憶體管理的malloc/free這對函式，對於使用c語言的程式設計師應該很熟悉。前段時間聽說有的it公司以「實現乙個簡單功能的malloc」作為面試題，正好最近在複習k&r，上面有所介紹，因此花了些時間仔細研究了一下。畢竟把題目做出來是次要的，了解實現思想、提公升技術才是主要的。本文主要是對malloc/free實現思路的介紹，藍色部分文字是在個人思考中覺得比較核心的東西；另外對於**的說明，有一些k&r上的解釋，使用綠色加亮。

在研究k&r第八章第七節的實現之前，不妨先看看其第五章第四節的alloc/afree實現，雖然這段**主要目的是展示位址運算。

#define allocsize 10000
static
char allocbuf[allocsize]; /*
storage for alloc
*/static
char *allocp = allocbuf; /*
next free position
*/char *alloc(int n)
else
return0;}
void afree(char *p)
s; align x;
};typedef union header header;

使用union而不是直接使用struct的原因是為了位址對齊。這裡是long對齊，union的x永遠不會使用。

這樣，malloc的主要工作就是對這些header和其後的記憶體塊的管理。

static header base;
static header *freep = null;
void *malloc(unsigned nbytes)
for(p = prevp->s.ptr; ;prevp = p, p= p->s.ptr) 
freep = prevp;
return (void*)(p+1);
}if (p== freep) /*
*/if ((p = morecore(nunits)) == null)
return null; /*
none left 
*/ }
}

實際分配的空間是header大小的整數倍，並且多出乙個header大小的空間用於放置header。但是直觀來看這並不是nunits = (nbytes+sizeof(header)-1)/sizeof(header) + 1啊？如果用(nbytes+sizeof(header))/sizeof(header)+1豈不是剛好？其實不是這樣，如果使用後者，(nbytes+sizeof(header))%sizeof(header) == 0時，又多分配了乙個header大小的空間了，因此還要在小括號裡減去1，這時才能符合要求。

malloc()第一次呼叫時建立乙個退化鍊錶base，只有乙個大小是0的空間，並指向它自己。freep用於標識空閒鍊錶的某個元素，每次查詢時可能發生變化；中間的查詢和分配過程是基本的鍊錶操作，在空閒鍊錶中不存在合適大小的空閒空間時呼叫morecore()獲得更多記憶體空間；最後的返回值是空閒空間的首位址，即header之後的位址，這個介面與庫函式一致。

#define nalloc 1024    /* minimum #units to request */
static header *morecore(unsigned nu)

morecore()從系統申請更多的可用空間，並加入。由於呼叫了sbrk()，系統開銷比較大，為避免morecore()本身的呼叫次數，設定了乙個nalloc，如果每次申請的空間小於nalloc，就申請nalloc大小的空間，使得後續malloc()不必每次都需要呼叫morecore()。

對於sbrk()，在後面會有介紹。

這裡有個讓人驚訝的地方：malloc()呼叫了morecore()，morecore()又呼叫了free()！第一次看到這裡時可能會覺得不可思議，因為按照慣性思維，malloc()和free()似乎應該是相互分開的，各司其職啊？但請再思考一下，free()是把空閒鍊錶進行擴充，而malloc()在空閒鍊錶不足時，從系統申請到更多記憶體空間後，也要先把它們轉化成空閒鍊錶的一部分，再進行利用。這樣，malloc()呼叫free()完成後面的工作也是順理成章了。根據這個思想，後面是free()的實現。在此之前，還有幾個morecore()自身的細節：

1.如果系統也沒有空間可以分配，sbrk()返回-1。cp是char *型別，在有的機器上char無符號，這裡需要一次強制型別轉換。

2.morecore()呼叫的返回值看上去比較奇怪，別擔心，freep會在free()中修改的。使用這個返回值也是為了在malloc()裡的判斷、p = freep的再次賦值的語句能夠緊湊。

void free(void *ap)
else
bp->s.ptr = p->s.ptr;
if (p+p->s.size == bp) else
p->s.ptr = bp;
freep = p;
}

free()首先定位要釋放的ap對應的bp與空閒鍊錶的相對位置，找到它的的最近的上乙個和下乙個空閒空間，或是當它在整個空閒空間的前面或後面時找到空閒鍊錶的首尾元素。注意，由於malloc()的分配方式和free()的**時的合併方式（下文馬上要提到），可以保證整個空閒空間的鍊錶總是從低位址逐個公升高，在最高位址的空閒空間回指向低位址第乙個空閒空間。

定位後，根據要釋放的空間與附近空間的相鄰性，進行合併，也即修改對應空間的header。兩個if並列可以使得bp可以同時與高位址和低位址空閒空間結合（如果都相鄰），或者進行二者之一的合併，或者不合併。

完成了這三部分**後（注意放到同一原始檔中,sbrk()需要#include ），就可以使用了。當然要注意，命名和stdlib.h中的同名函式是衝突的，可以自行改名。

第一次審視原始碼，會發現很多實現可能原先並沒有想到：header的結構和對齊填充、空間的取整、鍊錶的操作和初始化（邊界情況）、malloc()對free()的呼叫、由malloc()和free()暗中保證的鍊錶位址有序等等，確實很值得玩味。另外再附上前文中提到的兩個問題還有一些補充問題的簡單思考：

1.header與空閒空間相剝離，header中包含乙個指向其空閒空間的指標

這樣做未必不可，相應地演算法需要改動。同時，由於header和空閒空間不再相鄰，sbrk()獲得的空間也應該包含header的部分，記憶體的分布可能會更加瑣碎。當然，這也可能帶來好處，即用其他資料結構對鍊錶進行管理，比如按大小進行hash，這樣查詢起來更快。

2.關於sbrk()

sbrk()也是庫函式，它能使堆往棧的方向增長，具體可以參考：brk(), sbrk() 用法詳解。

3.可以改進的方

空閒空間的尋找是線性的，查詢過程在記憶體分配中可以看作是迴圈首次適應演算法，在某些情況下可能很慢；如果再建立乙個資料結構，如hash表，對不同大小的空間進行索引，肯定可以加快查詢本身，並且能實現一些演算法，比如最佳匹配。但查詢加快的代價是，修改這個索引會占用額外的時間，這是需要權衡的。

morecore()中的最小分配空間是巨集定義，在實際使用中完全可以作為引數傳遞，根據需要設定最小分配下限。

2013.7.27更新：

4.這個malloc()和系統提供的malloc()的差別？

其實庫函式的malloc在引數為0時可以返回乙個null，而以上寫malloc在頭部分配成功後總不會返回null。這是差別之一，換句話說，二者實現還是不同的，這裡只是為了演示malloc的原理，並非真正的庫函式。

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動態記憶體分配 malloc，free 函式分析

malloc free記憶體碎片的產生原因

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