用链表实现了简单版本的malloc/free函数

使用链表实现了简单版本的malloc函数

malloc函数可以在堆上分配内存，本文简单实现了一个最简单malloc函数。

什么是虚拟地址

在现代操作系统中，进程在运行时候，操作系统将会为其分虚拟内存（VM），从进程的角度看来，它是独占所有内存的。

所以，进程在运行中，其虚拟地址空间如下：

可以简单理解为，每一个进程启动，在进程看来，它都像是获得了整个内存空间。其中堆在数据区之后，堆可以动态的进行扩展和收缩，当需要扩展堆内存的时候，只需要将堆顶指针(brk)向上移动，当需要收缩内存的时候，只需要将堆顶指针(brk)向下移动。

如图所示：

使用`C`如何操作堆内存

注意前提，brk是需要在类Unix操作系统中，比如所熟知的Linux操作系统，类Unix操作系统内核都提供了brk()接口，libc封装了该接口，称之为sbrk()，使用该接口可以扩充、缩减堆内存。

首先，要调用sbrk()函数，需要包含unistd.h头文件，sbrk()该函数说明如下：

arduino 复制代码

/* Increase or decrease the end of accessible data space by DELTA bytes.
   If successful, returns the address the previous end of data space
   (i.e. the beginning of the new space, if DELTA > 0);
   returns (void *) -1 for errors (with errno set).  */
extern void *sbrk (intptr_t __delta) __THROW;

该函数可以增加、所缩小数据空间，单位为字节，当传入大于0的时候，则是扩展堆、当传入小于0的时候，择时缩小堆、如果出错，则返回(void *) - 1。

当想获取一下堆顶的地址，只需要传入0即可，注意，需要将返回值与(void *) -1判断是否已经完成操作。

具体代码如下：

arduino 复制代码

# include <stdio.h>
# include <unistd.h>

int main() {

    char *address = sbrk(0);

    if (address == (void *)-1) {
        printf("获取堆顶地址失败");
        return 1;
    }

    printf("当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：%p\n",address);

    return 0;
}

上述代码运行后会返回当前堆顶的地址。执行过程如下：

bash 复制代码

➜  tests ./a.out 
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x5c94a0f73000
➜  tests

这里举一个扩充堆内存，存入数据的例子：

c 复制代码

# include <stdio.h>
# include <unistd.h>

// 返回当前堆顶地址
void *getSprkAddress() {
    char *address = sbrk(0);

    if (address == (void *)-1) {
        printf("获取堆顶地址失败");
        return NULL;
    }

    printf("当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：%p\n",address);
    return address;
}

int main() {

    // 打印初始空间
    getSprkAddress();

    // 申请 40个字节（int占用4个字节、10个int）
    int length = 10;

    int *array = sbrk(sizeof(*array) * length);
    getSprkAddress();

    // 向数组写入数据
    int i;
    for (i=0;i<length;i++) {
        array[i] = i+1;
    }

    // 读取数据
    for (i=0;i<length;i++) {
        printf("xx: %d\n",array[i]);
    }

    // 回收空间
    void *delSpace = sbrk(0 - (sizeof(*array) * length));
    getSprkAddress();

    // 再次访问不属于自己的内存空间
    for (i=0;i<length;i++) {
        printf("xx: %d\n",array[i]);
    }

    return 0;
}

该程序申请了40个字节的堆地址，将堆顶指针，向上移动了40个字节，继而写入10个数据，而后将其读取出来，最后回收空间，再次访问不属于自己的内存空间。程序执行结果如下：

makefile 复制代码

➜  tests ./a.out     
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x59b2fbddd000
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x59b2fbdfe028
xx: 1
xx: 2
xx: 3
xx: 4
xx: 5
xx: 6
xx: 7
xx: 8
xx: 9
xx: 10
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x59b2fbdfe000
[1]    49058 segmentation fault (core dumped)  ./a.out
➜  tests

申请堆空间后，写入了数据，回收了空间，想再次读取，引发了系统崩溃，因为该进程访问了不属于它的空间。如果回收后，再次申请，会触发初始化，数据也并不存在了，修改代码：

scss 复制代码

// 回收空间
void *delSpace = sbrk(0 - (sizeof(*array) * length));
getSprkAddress();

// 再次申请空间
sbrk((sizeof(*array) * length));

// 再次访问地址数据
for (i=0;i<length;i++) {
    printf("xx: %d\n",array[i]);
}

执行的结果为：

makefile 复制代码

➜  tests gcc ./main.c
➜  tests ./a.out     
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x628ab9140000
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x628ab9161028
xx: 1
xx: 2
xx: 3
xx: 4
xx: 5
xx: 6
xx: 7
xx: 8
xx: 9
xx: 10
当前进程虚拟内存堆顶(brk)地址：0x628ab9161000
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
xx: 0
➜  tests