用于内存管理的malloc与free这对函数，对于使用C语言的程序员应该很熟悉。前段时间听说有的IT公司以“实现一个简单功能的malloc”作为面试题，正好最近在复习K&R，上面有所介绍，因此花了些时间仔细研究了一下。毕竟把题目做出来是次要的，了解实现思想、提升技术才是主要的。本文主要是对malloc与free实现思路的介绍，蓝色部分文字是在个人思考中觉得比较核心的东西；另外对于代码的说明，有一些K&R上的解释，使用绿色加亮。
在研究K&R第八章第五节的实现之前，不妨先看看其第五章第四节的alloc/afree实现，虽然这段代码主要目的是展示地址运算。
alloc实现
#define ALLOCSIZE 10000
static char allocbuf[ALLOCSIZE]; /*storage for alloc*/
static char *allocp = allocbuf; /*next free position*/
char *alloc(int n)
{
if(allocbuf+ALLOCSIZE - allocp >= n) {
allocp += n;
return alloc - n;
} else
return 0;
}
void afree(char *p)
{
if (p >= allocbuf && ps.ptr; ;prevp = p, p= p->s.ptr) {
if(p->s.size >= nunits) { /* big enough */
if (p->s.size == nunits) /* exactly */
prevp->s.ptr = p->s.ptr;
else {
p->s.size -= nunits;
p += p->s.size;
p->s.size = nunits;
}
freep = prevp;
return (void*)(p+1);
}
if (p== freep) /* wrapped around free list */
if ((p = morecore(nunits)) == NULL)
return NULL; /* none left */
}
}
实际分配的空间是Header大小的整数倍，并且多出一个Header大小的空间用于放置Header。但是直观来看这并不是nunits = (nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header) + 1啊？如果用(nbytes+sizeof(Header))/sizeof(Header)+1岂不是刚好？其实不是这样，如果使用后者，nbytes+sizeof(Header)%sizeof(Header) == 0时，又多分配了一个Header大小的空间了，因此还要在小括号里减去1，这时才能符合要求。
malloc()第一次调用时建立一个退化链表base，只有一个大小是0的空间，并指向它自己。freep用于标识空闲链表的某个元素，每次查找时可能发生变化；中间的查找和分配过程是基本的链表操作，在空闲链表中不存在合适大小的空闲空间时调用morecore()获得更多内存空间；最后的返回值是空闲空间的首地址，即Header之后的地址，这个接口与库函数一致。
morecore()
#define NALLOC 1024 /* minimum #units to request */
static Header *morecore(unsigned nu)
{
char *cp;
Header *up;
if(nu < NALLOC)
nu = NALLOC;
cp = sbrk(nu * sizeof(Header));
if(cp == (char *)-1) /* no space at all*/
return NULL;
up = (Header *)cp;
up->s.size = nu;
free((void *)(up+1));
return freep;
}
morecore()从系统申请更多的可用空间，并加入。由于调用了sbrk()，系统开销比较大，为避免morecore()本身的调用次数，设定了一个NALLOC，如果每次申请的空间小于NALLOC，就申请NALLOC大小的空间，使得后续malloc()不必每次都需要调用morecore()。对于sbrk()，在后面会有介绍。
这里有个让人惊讶的地方：malloc()调用了morecore()，morecore()又调用了free()！第一次看到这里时可能会觉得不可思议，因为按照惯性思维，malloc()和free()似乎应该是相互分开的，各司其职啊？但请再思考一下，free()是把空闲链表进行扩充，而malloc()在空闲链表不足时，从系统申请到更多内存空间后，也要先把它们转化成空闲链表的一部分，再进行利用。这样，malloc()调用free()完成后面的工作也是顺理成章了。根据这个思想，后面是free()的实现。在此之前，还有几个morecore()自身的细节：
1.如果系统也没有空间可以分配，sbrk()返回-1。cp是char *类型，在有的机器上char无符号，这里需要一次强制类型转换。
2.morecore()调用的返回值看上去比较奇怪，别担心，freep会在free()中修改的。使用这个返回值也是为了在malloc()里的判断、p = freep的再次赋值的语句能够紧凑。
free()
void free(void *ap)
{
Header *bp,*p;
bp = (Header *)ap -1; /* point to block header */
for(p=freep;!(bp>p && bp< p->s.ptr);p=p->s.ptr)
if(p>=p->s.ptr && (bp>p || bps.ptr))
break; /* freed block at start or end of arena*/
if (bp+bp->s.size==p->s.ptr) { /* join to upper nbr */
bp->s.size += p->s.ptr->s.size;
bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;
} else
bp->s.ptr = p->s.ptr;
if (p+p->s.size == bp) { /* join to lower nbr */
p->s.size += bp->s.size;
p->s.ptr = bp->s.ptr;
} else
p->s.ptr = bp;
freep = p;
}
free()首先定位要释放的ap对应的bp与空闲链表的相对位置，找到它的的最近的上一个和下一个空闲空间，或是当它在整个空闲空间的前面或后面时找到空闲链表的首尾元素。注意，由于malloc()的分配方式和free()的回收时的合并方式（下文马上要提到），可以保证整个空闲空间的链表总是从低地址逐个升高，在最高地址的空闲空间回指向低地址第一个空闲空间。
定位后，根据要释放的空间与附近空间的相邻性，进行合并，也即修改对应空间的Header。两个if并列可以使得bp可以同时与高地址和低地址空闲空间结合（如果都相邻），或者进行二者之一的合并，或者不合并。
完成了这三部分代码后（注意放到同一源文件中,sbrk()需要#include ），就可以使用了。当然要注意，命名和stdlib.h中的同名函数是冲突的，可以自行改名。
第一次审视源码，会发现很多实现可能原先并没有想到：Header的结构和对齐填充、空间的取整、链表的操作和初始化（边界情况）、malloc()对free()的调用、由malloc()和free()暗中保证的链表地址有序等等，确实很值得玩味。另外再附上前文中提到的两个问题还有一些补充问题的简单思考：
1.Header与空闲空间相剥离，Header中包含一个指向其空闲空间的指针
这样做未必不可，相应地算法需要改动。同时，由于Header和空闲空间不再相邻，sbrk()获得的空间也应该包含Header的部分，内存的分布可能会更加琐碎。当然，这也可能带来好处，即用其他数据结构对链表进行管理，比如按大小进行hash，这样查找起来更快。
2.关于sbrk()
sbrk()也是库函数，它能使堆往栈的方向增长，具体可以参考：brk(), sbrk() 用法详解。
3.可以改进的方
空闲空间的寻找是线性的，查找过程在内存分配中可以看作是循环首次适应算法，在某些情况下可能很慢；如果再建立一个数据结构，如hash表，对不同大小的空间进行索引，肯定可以加快查找本身，并且能实现一些算法，比如最佳匹配。但查找加快的代价是，修改这个索引会占用额外的时间，这是需要权衡的。
morecore()中的最小分配空间是宏定义，在实际使用中完全可以作为参数传递，根据需要设定最小分配下限。