一、通过程序验证系统内存分配机制

1、实验：

两个char 指针，连续先后在内存中各申请100、102个字节， 它们实际上会占用多少字节的内存空间？

如果两个char 指针，连续先后在内存中各申请200个字节， 它们实际上会占用多少字节的内存空间？

2、程序以及运行结果：

#include<iostream>
#include <unistd.h>
#include <malloc.h>
using namespace std;

int main(){
    char* p1 = (char *)malloc(100);
    char* p2 = (char *)malloc(102);
    cout << malloc_usable_size(p1) << endl;
    cout << malloc_usable_size(p2) << endl; 
    cout << static_cast<void *>(p1) << endl;   
    cout << static_cast<void *>(p2) << endl;  
    free(p1);
    free(p2);
    return 0;
}

运行出的两个指针的实际占用大小都是104字节。

通过进一步的实验发现分配的内存大小和实际占用内存有如下关系：

分配的内存大小	实际占用内存大小
0 ~ 24	24
25 ~ 40	40
41 ~ 56	56
...	...
89~104	104
...	...

#include<iostream>
#include <unistd.h>
#include <malloc.h>
using namespace std;

int main(){
    char* p1 = (char *)malloc(200); 
    printf("p1 = %p\n", p1);
    char* p2 = (char *)malloc(200); 
    printf("p2 = %p\n", p2);

    printf("p1内存起始地址：%x\n", p1);
    printf("p2内存起始地址：%x\n", p2);

    printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid()); 
    getchar();

    free(p1);
    p1 = NULL;
    free(p2);
    p2 = NULL;
    return 0;
}

实际上，除了200字节的可用空间外，还需要耗费内存控制块的空间。malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的多了 16 字节。这个多出来的 16 字节就是保存了该内存块的描述信息。

3、实验结果分析

        通过上述实验结果可以得出，在64位系统下，我们申请的可用内存的大小会是16x + 8，分配的内存大小在每个区间内会对应相同的一个实际占用内存大小。那么这样内存分配的目的是什么呢？通过查阅相关资料得出，这样做是为了使得内存对齐，从而提升效率。除了可用空间外，还需要耗费内存控制块的空间。所以malloc实际分配的内存大小会大于我们所需要的大小，并且由字节对齐和内存控制块两方面决定。

二、内存对齐

1、前言

        内存用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。内存是外存和CPU进行沟通的桥梁，是计算机中非常重要的组成部分。

        执行一个程序时，先由输入设备向CPU发出操作指令，CPU接收到操作指令后，硬盘中对应的程序就会被直接加载到内存中。然后，CPU 再对内存进行寻址操作，把加载到内存中的指令翻译出来，发送操作信号给操作控制器，实现程序的运行。计算机中程序的运行都是在内存中进行，所以内存的性能的好坏会影响计算机的性能。

2、内存对齐是什么？为什么要进行内存对齐？

        内存对齐就是把各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是按照顺序一个接一个的排放，这种就称为内存对齐，内存对齐是指首地址对齐。原因如下：

（1）性能方面考虑：

       CPU每次访问内存是以字长为单位访问的，所以应该内存对齐。如果访问未对齐的存，CPU需要进行两次访问操作。 因此，内存对齐可以提升性能。

        从硬件角度分析，因为内存条就是这么设计的，内存颗粒chip里的bank是并行的。一个内存是由许多chip组成，而每个chip内部是由8个bank组成。bank也就是一个二维矩阵，矩阵里的一个元素保存一个字节。

        在应用程序中，内存中连续的8个字节看似是连续的，但是在物理上并不是连续的，这是由于8个bank实际上是可以并行工作的。内存对其的情况下，工作一次，把得到的数据拼起来，就能得到内存中地址连续的8个字节，从而提高了IO效率。

（2）平台方面考虑：

        有些硬件平台上的CPU可以访问任意地址上的任意数据的，但有些只能在特定地址访问数据，否则会抛出硬件异常。因为不同的硬件平台具有一定的差别，因此，在编译阶段，把分配的内存对齐，就具有了可移植性了。

3、如果内存不对齐，会发生什么？

        未对齐的内存访问在不同的体系结构中会有不同的效果：有些计算机可以透明地处理未对齐访问，但会大大降低效率；有一些计算机可能会产生异常，并且可用调用一个异常处理程序改正；但有些计算机产生异常，但是不能校正错误；还有一些计算机没有办法处理未对齐访问，而直接读取不正确的内存地址，导致代码漏洞，并且难以发现。

三、内存管理

1、malloc

        malloc申请内存的时候，分配的是虚拟内存，会有两种方法向操作系统申请内存：

（1）通过brk()系统调用从堆分配内存

（2）通过mmap()系统调用在文件映射区分配内存

        malloc() 源码里默认定义了一个阈值：（不同的 glibc 版本定义的阈值也是不同的）

• 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；

• 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

        malloc 函数的实质有一个将可用的内存块连接为一个链表的空闲链表，有时候也用双向链表实现。每一个内存块都有一个首部称为内存控制块mem_control_block，该MCB中记录了该内存块的一些信息，例如下一个分配块的指针、当前分配块的长度、当前分配块是否可用。

typedef struct mem_control_block
{
    size_t size;  //本块大小
    bool free;  //空闲状态
    struct mem_control_block *next;  //后块指针
}MCB;
MCB *g_top = NULL;  //栈顶指针

        malloc分配时会去搜索空闲链表，为了保证分配给程序的内存的连续性，根据内存匹配原则，找到一个能满足所需空间的空闲内存块，然后把该部分空间分配出去，并且返回这部分空间的起始指针。malloc返回的指针是可用空间的起始指针，也就是跟在首部后面的地址，上述分配块的首部对于程序是不可见的。如果不能找到满足条件的内存块，就会向操作系统申请扩展堆内存，操作系统会分配新的足量内存并将其控制块压入链表栈。

        这相当于用到了池化技术，实现了一个内存池。先向操作系统申请了适当内存空间，然后自己进行管理。如果不够满足实际需求，再向操作系统申请。不需要每次malloc都进行系统调用，那样开销比较大，会影响系统的性能。

        系统函数brk()和sbrk()被用来调节分配给进程的数据段的内存量。 brk和sbrk底层维护了一个堆上的指针，以增量的方式管理动态内存(堆)。通常，这些函数是由一个更大的内存管理库函数（如malloc）调用的。sbrk(x) 函数，x是申请空间大小，0不申请空间，大于0申请空间，小于0 释放空间。而brk(addr)，需要将堆顶指针向后移动到哪个地址addr。移动的空间大小，就是申请的空间大小。

2、free

    free会将内存块重新插入到空闲链表中，并且修改内存头部的空闲状态。free只接受一个指针，却可以释放恰当大小的内存，这是因为在分配的区域的首部保存了该区域的大小。

        malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存：1、通过 brk() 系统调用从堆分配内存；2、通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存。采用第一种方式申请的内存，堆内存还存在，没有归还给操作系统，而是放回内存池里；采用第二种方式申请的内存会归还给操作系统。

参考文章：

详解内存对齐_Sunshine-松的博客-CSDN博客

带你深入理解内存对齐最底层原理 - 知乎

内存管理(六)：一文搞懂malloc、free实现原理 - 知乎