malloc底层原理 brk,sbrk,mmap

brk() 系统调用

brk() 是 Linux 系统调用，用于 调整进程的堆（heap）大小。它用于管理进程的 数据段（Data Segment），从而影响 malloc()、free() 的底层实现。

1. brk() 的作用

• 增加或减少堆的大小
• 用于 sbrk()，它是 malloc() 申请堆内存的底层机制
• 影响 malloc()、free()，但不适用于 mmap() 分配的内存

示例

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

int main() {
    void *heap1 = sbrk(0); // 获取当前堆顶
    printf("Heap start: %p\n", heap1);

    brk(heap1 + 4096); // 增加 4KB
    void *heap2 = sbrk(0);
    printf("Heap after brk(): %p\n", heap2);

    return 0;
}

输出

Heap start: 0x55aebc756000
Heap after brk(): 0x55aebc757000

✅ brk() 增加了 4KB 的堆空间。

2. sbrk() 和 brk() 的关系

• sbrk() 调用 brk()，以相对方式调整堆。
• brk(new_end) 直接设置堆顶，而 sbrk(size) 相对移动堆顶。

示例

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

int main() {
    void *heap1 = sbrk(0);
    printf("Heap start: %p\n", heap1);

    sbrk(4096); // 增加 4KB
    void *heap2 = sbrk(0);
    printf("Heap after sbrk(4096): %p\n", heap2);

    sbrk(-4096); // 归还 4KB
    void *heap3 = sbrk(0);
    printf("Heap after sbrk(-4096): %p\n", heap3);

    return 0;
}

输出

Heap start: 0x5634b2712000
Heap after sbrk(4096): 0x5634b2713000
Heap after sbrk(-4096): 0x5634b2712000

✅ sbrk(4096) 增加了 4KB，sbrk(-4096) 归还 4KB。

3. brk() 在 malloc() 中的作用

malloc() 可能使用 brk() 来分配内存：

1. 检查 free list（空闲块链表），如果没有足够的空闲块：
2. 调用 sbrk(size) 或 brk(new_end) 增加堆空间：

   void* malloc(size_t size) {
       if (size == 0) return NULL;
       void* new_heap = sbrk(size);
       if (new_heap == (void*)-1) return NULL; // 分配失败
       return new_heap;
   }
   

4. brk() vs mmap()

示例

void* bigAlloc = mmap(NULL, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
                      MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

• mmap() 适用于大块内存分配，而 brk() 适用于 小块动态分配。

5. 为什么 free() 不归还内存？

• free() 将内存块加入 free list，但不会调用 brk(-size)。
• 只有当释放的内存块正好在堆顶，free() 可能调用 brk() 归还内存。

示例

void* p1 = malloc(1000);
void* p2 = malloc(1000);
free(p2);  // 可能归还
free(p1);  // 不能归还，因 p2 仍在堆中

6. 总结

• brk() 直接设置堆顶，sbrk() 以相对方式移动堆顶。
• malloc() 可能使用 brk() 扩展堆，但释放时不会立刻归还。
• mmap() 适用于大块分配，而 brk() 适用于小块管理。

mmap() 系统调用

mmap() 是 Linux 提供的一种 内存映射 机制，它可以 直接将文件或匿名内存映射到进程地址空间，用于 高效的大块内存分配。

1. mmap() 的作用

• 文件映射：将 文件 映射到进程的虚拟地址空间，可用于 文件 I/O 加速。
• 匿名映射：分配一块 无需关联文件 的内存，类似 malloc()，但 支持 munmap() 释放。
• 共享内存：多个进程可使用 mmap() 共享一块内存，实现 进程间通信（IPC）。
• 大块内存分配：malloc() 可能使用 mmap() 为 大于 128KB 的分配 申请内存。

2. mmap() 的函数原型

#include <sys/mman.h>
void* mmap(void* addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

返回值：

• 成功：返回 映射的起始地址
• 失败：返回 MAP_FAILED（(void*)-1）

3. mmap() 用于匿名内存分配

mmap() 可用于代替 malloc() 申请内存，并且可以 释放，而 brk() 只能扩展堆，无法释放。

示例：使用 mmap() 申请 1MB 内存

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    size_t size = 1024 * 1024;  // 1MB
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        return 1;
    }

    printf("Memory allocated at: %p\n", ptr);

    // 使用 mmap 分配的内存
    *(int*)ptr = 42;
    printf("Value at ptr: %d\n", *(int*)ptr);

    // 释放内存
    munmap(ptr, size);
    return 0;
}

输出

Memory allocated at: 0x7f9c3c12d000
Value at ptr: 42

✅ mmap() 成功 分配 1MB 内存，并能 用 munmap() 释放。

4. mmap() 用于文件映射

可以将 文件内容映射到内存，实现 高效文件 I/O，避免 read()/write() 系统调用开销。

示例：映射文件到内存

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    struct stat st;
    fstat(fd, &st); // 获取文件大小
    size_t size = st.st_size;

    // 将文件映射到内存
    void* ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        return 1;
    }

    printf("File content:\n%.*s\n", (int)size, (char*)ptr);

    munmap(ptr, size); // 释放映射
    close(fd);
    return 0;
}

✅ 读取 test.txt 直接映射到内存，避免 read() 系统调用，提高 I/O 性能。

5. mmap() 的常用 flags 选项

6. mmap() vs. malloc()

示例

void* largeAlloc = mmap(NULL, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
                        MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

✅ mmap() 适合 大块分配（如 1MB）。

7. mmap() vs. brk()

✅ 大对象用 mmap()，小对象用 malloc()。

8. mmap() 共享内存（IPC）

多个进程可以通过 mmap() 共享一块内存，实现 进程间通信（IPC）。

示例

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd = shm_open("/my_shared_memory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(fd, 1024); // 设置共享内存大小

    void* ptr = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        return 1;
    }

    strcpy(ptr, "Hello from mmap!");
    printf("Shared Memory Written: %s\n", (char*)ptr);

    munmap(ptr, 1024);
    close(fd);
    shm_unlink("/my_shared_memory"); // 删除共享内存
    return 0;
}

✅ 进程 A 写入共享内存，进程 B 读取共享数据。

9. 结论

• mmap() 用于 高效文件 I/O、匿名内存、共享内存。
• mmap() 适合大块内存，而 malloc() 适合小对象。
• mmap() 可以释放内存，而 brk() 不能收缩。
• 高性能应用（数据库、服务器）常用 mmap() 代替 malloc()。