摘要：偶爾看到面試題會問到 malloc 的底層原理，今天就來記錄一下，畢竟學習要“知其所以然”，這樣才會胸有成竹。
注：下面分析均是基於 linux 環境下的 malloc 實現。步驟是：先總結結論，再逐步展開
結論
1）當開辟的空間小於 128K 時，調用 brk（）函數，malloc 的底層實現是系統調用函數 brk（），其主要移動指針 _enddata(此時的 _enddata 指的是 Linux 地址空間中堆段的末尾地址，不是數據段的末尾地址)
2）當開辟的空間大於 128K 時，mmap（）系統調用函數來在虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱為“文件映射區域”的地方）找一塊空間來開辟。
具體內容
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，或者什么都不做）
4）建立映射關系（虛擬地址到物理地址的映射關系）
5）重復執行發生缺頁中斷的那條指令
如果第3布，需要讀取磁盤，那么這次缺頁就是 majfit(major fault：大錯誤),否則就是 minflt(minor fault：小錯誤)
內存分配的原理
從操作系統角度看，進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk 和 mmap (不考慮共享內存)
1）brk 是將數據段（.data）的最高地址指針 _edata 往高地址推
2）mmap 是在進程的虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱為“文件映射區域”的地方）找一塊空閑的虛擬內存。
這兩種方式分配的都是虛擬內存，沒有分配物理內存。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，操作系統負責分配物理內存，然后建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。
具體分配過程
情況一：malloc 小於 128K 的內存，使用 brk 分配
將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，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，然后虛擬地址空間建立映射關系)，如下圖：
1，進程啟動的時候，其（虛擬）內存空間的初始布局如圖1所示
2，進程調用A=malloc(30K)以后，內存空間如圖2：
malloc函數會調用brk系統調用，將_edata指針往高地址推30K，就完成虛擬內存分配
你可能會問：難道這樣就完成內存分配了？
事實是：_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊內存現在還是沒有物理頁與之對應的，等到進程第一次讀寫A這塊內存的時候，發生缺頁中斷，這個時候，內核才分配A這塊內存對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內容，然后從來不訪問它，那么，A對應的物理頁是不會被分配的。
3，進程調用B=malloc(40K)以后，內存空間如圖3
情況二：malloc 大於 128K 的內存，使用 mmap 分配（munmap 釋放）
4，進程調用C=malloc(200K)以后，內存空間如圖4
默認情況下，malloc函數分配內存，如果請求內存大於128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節），那就不是去推_edata指針了，而是利用mmap系統調用，從堆和棧的中間分配一塊虛擬內存
這樣子做主要是因為:
brk分配的內存需要等到高地址內存釋放以后才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的，因為只有一個_edata 指針，這就是內存碎片產生的原因，什么時候緊縮看下面），而mmap分配的內存可以單獨釋放。
當然，還有其它的好處，也有壞處，再具體下去，有興趣的同學可以去看glibc里面malloc的代碼了。
5，進程調用D=malloc(100K)以后，內存空間如圖5
6，進程調用free(C)以后，C對應的虛擬內存和物理內存一起釋放
7，進程調用free(B)以后，如圖7所示
B對應的虛擬內存和物理內存都沒有釋放，因為只有一個_edata指針，如果往回推，那么D這塊內存怎么辦呢？當然，B這塊內存，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那么malloc很可能就把B這塊內存返回回去了
8，進程調用free(D)以后，如圖8所示
B和D連接起來，變成一塊140K的空閑內存
9，默認情況下：
當最高地址空間的空閑內存超過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，發現最高地址空閑內存超過128K，於是內存緊縮，變成圖9所示