malloc 实现的基本原理是先向操作系统申请一块比较大的内存，然后再通过各种优化手段让内存分配的效率最大化。在 glibc 的实现里，malloc 函数在向操作系统申请堆内存时，会使用 mmap，以 4K 的整数倍一次申请多个页。这样的话，mmap 的区域就会以页对齐，页与页之间的排列非常整齐，避免了出现内存碎片。

对小块内存进行精细化管理，最常用的数据结构就是链表。为了能够方便地进行分配和回收，人们把空闲区域记录到链表里，这就是空闲链表 (free list)。

空闲链表里的节点主要是为了记录内存的开始位置和长度。

简单算法

当分配内存的请求到达以后，我们就通过遍历 free list 来查找可用的空闲内存区域，在找到合适的空闲区域以后，就将这一块区域从链表中摘下来。比如要请求的大小是 m，就将这个结点从链表中取下，把起始位置向后移动 m，大小也相应的减小 m。将修改后的结点重新挂到链表上。

在释放的时候，将这块区域按照起始起址的排序放回到链表里，并且检查它的前后是否有空闲区域，如果有就合并成一个更大的空闲区。

缺点：会产生内存碎片，分配效率一般，且多线程并发场景下性能还会恶化。

分桶式内存管理

分桶式内存管理采用了多个链表，对于单个链表，它内部的所有结点所对应的内存区域的大小是相同的。

最常见的方式是以 4 字节为最小单位，把所有 4 字节的区域挂到同一个链表上，再把 8 字节的区域挂到一起，然后是 16 字节，32 字节，这样以 2 次幂向上增长。如下图所示：

分配的时候，我们要只要找到能满足这一次分配请求的最小区域，然后去相应的链表里把整块区域都取下来。释放时，只需要把要释放的内存直接挂载到相应的链表里就可以了。

缺陷：区域内部的使用率不够高和动态扩展能力不够好。

伙伴系统

这种不断地把一块内存分割成更小的两块内存的做法，就是伙伴系统，这两块更小的内存就是伙伴。 它的好处是可以动态地根据分配请求将大的内存分割成小的内存。当释放内存时，如果系统发现与被释放的内存相邻的那个伙伴也是空闲的，就会把它们合并成一个更大的连续内存。通过这种拆分，系统就变得更加富有弹性。

总结

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此文章为7月Day9学习笔记，内容来源于极客时间《编程高手必学的内存知识》