Understanding glibc malloc

日志：

1. [2019-10-10] 經(jīng)評論 @kwdecsdn 提醒，新增對「Unsorted Bin 中的 chunks 何時移至 small/large chunk 中」的補充解釋。

2. [2019-02-06] 勘誤與代碼著色優(yōu)化；

3. [2018-05-22] 內(nèi)容優(yōu)化與排版優(yōu)化；

4. [2017-03-17] 優(yōu)化排版.

譯者言:

1. [2018-05-22] 在寫完這篇博客之后，我抽空將 glibc malloc 的源碼閱讀了一遍，并參與編撰了一篇有關(guān)分配器的綜述文獻1，最后我動手實現(xiàn)了自己的分配器。當(dāng)然，這都是 17 年暑期之前的工作了。一年后的今天，我打開這篇藏在記憶角落里的文章，看著它驚人的點擊量，我覺得我有必要認真地校準一下本文，從而盡量為大家提供一篇內(nèi)容正確、閱讀舒適的博文，這樣才對得起大家的厚望。在修訂過程中，為了避免令人尷尬的翻譯腔，我會盡量意譯與技術(shù)無關(guān)的文本，希望大家喜歡！

2. [2016-07-21] 本篇文章主要完成了「Understanding glibc malloc」的翻譯工作。限于本人翻譯水平與專業(yè)技術(shù)水平（純粹為了了解內(nèi)存分配而翻），本文章必定會有很多不足之處，請大家見諒，也歡迎大家的指正！

文章目錄

• Understanding glibc malloc

• 5.1. Fast Bin

• 5.2. Unsorted Bin

• 5.3. Small Bin

• 5.4. Large Bin

• 5.5. Top Chunk

• 5.6. Last Remainder Chunk

• 4.1. Allocated chunk

• 4.2. Free chunk

• 3.1. Arena 的數(shù)量

• 3.2. Multiple Arena

• 3.3. Multiple Heaps

• 2.1. 案例代碼

• 2.2. 案例輸出

• 2.2.1. 在主線程 malloc 之前

• 2.2.2. 在主線程 malloc 之后

• 2.2.3. 在主線程 free 之后

• 2.2.4. 在 thread1 malloc 之前

• 2.2.5. 在 thread1 malloc 之后

• 2.2.6. 在 thread1 free 之后

• 前言

• 1. 申請堆的系統(tǒng)調(diào)用

• 2. 多線程支持

• 3. Arena

• 4. Chunk

• 5. Bins

• 
  

前言

堆內(nèi)存（Heap Memory）是一個很有意思的領(lǐng)域。你可能和我一樣，也困惑于下述問題很久了：

• 如何從內(nèi)核申請堆內(nèi)存？

• 誰管理它？內(nèi)核、庫函數(shù)，還是應(yīng)用本身？

• 內(nèi)存管理效率怎么這么高？！

• 堆內(nèi)存的管理效率可以進一步提高嗎？

最近，我終于有時間去深入了解這些問題。下面就讓我來談?wù)勎业恼{(diào)研成果。

開源社區(qū)公開了很多現(xiàn)成的內(nèi)存分配器（Memory Allocators，以下簡稱為分配器）：

• dlmalloc – 第一個被廣泛使用的通用動態(tài)內(nèi)存分配器；

• ptmalloc2 – glibc 內(nèi)置分配器的原型；

• jemalloc – FreeBSD ＆ Firefox 所用分配器；

• tcmalloc – Google 貢獻的分配器；

• libumem – Solaris 所用分配器；

• …

每一種分配器都宣稱自己快（fast）、可拓展（scalable）、效率高（memory efficient）！但是并非所有的分配器都適用于我們的應(yīng)用。內(nèi)存吞吐量大（memory hungry）的應(yīng)用程序，其性能很大程度上取決于分配器的性能。

在這篇文章中，我只談「glibc malloc」分配器。為了方便大家理解「glibc malloc」，我會聯(lián)系最新的源代碼。

歷史：ptmalloc2 基于 dlmalloc 開發(fā)，其引入了多線程支持，于 2006 年發(fā)布。發(fā)布之后，ptmalloc2 整合進了 glibc 源碼，此后其所有修改都直接提交到了 glibc malloc 里。因此，ptmalloc2 的源碼和 glibc malloc 的源碼有很多不一致的地方。（譯者注：1996 年出現(xiàn)的 dlmalloc 只有一個主分配區(qū)，該分配區(qū)為所有線程所爭用，1997 年發(fā)布的 ptmalloc 在 dlmalloc 的基礎(chǔ)上引入了非主分配區(qū)的概念。）

1. 申請堆的系統(tǒng)調(diào)用

我在之前的文章中提到過，malloc 內(nèi)部通過 brk 或 mmap 系統(tǒng)調(diào)用向內(nèi)核申請堆區(qū)。

譯者注：在內(nèi)存管理領(lǐng)域，我們一般用「堆」指代用于分配動態(tài)內(nèi)存的虛擬地址空間，而用「棧」指代用于分配靜態(tài)內(nèi)存的虛擬地址空間。具體到虛擬內(nèi)存布局（Memory Layout），堆維護在通過 brk 系統(tǒng)調(diào)用申請的「Heap」及通過 mmap 系統(tǒng)調(diào)用申請的「Memory Mapping Segment」中；而棧維護在通過匯編棧指令動態(tài)調(diào)整的「Stack」中。在 Glibc 里，「Heap」用于分配較小的內(nèi)存及主線程使用的內(nèi)存。

下圖為 Linux 內(nèi)核 v2.6.7 之后，32 位模式下的虛擬內(nèi)存布局方式。

2. 多線程支持

Linux 的早期版本采用 dlmalloc 作為它的默認分配器，但是因為 ptmalloc2 提供了多線程支持，所以 后來 Linux 就轉(zhuǎn)而采用 ptmalloc2 了。多線程支持可以提升分配器的性能，進而間接提升應(yīng)用的性能。

在 dlmalloc 中，當(dāng)兩個線程同時 malloc 時，只有一個線程能夠訪問臨界區(qū)（critical section）——這是因為所有線程共享用以緩存已釋放內(nèi)存的「空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)」（freelist data structure），所以使用 dlmalloc 的多線程應(yīng)用會在 malloc 上耗費過多時間，從而導(dǎo)致整個應(yīng)用性能的下降。

在 ptmalloc2 中，當(dāng)兩個線程同時調(diào)用 malloc 時，內(nèi)存均會得以立即分配——每個線程都維護著單獨的堆，各個堆被獨立的空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理，因此各個線程可以并發(fā)地從空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中申請內(nèi)存。這種為每個線程維護獨立堆與空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的行為就「per thread arena」。

2.1. 案例代碼

/* Per thread arena example. */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>
void* threadFunc(void* arg) {    printf("Before malloc in thread 1\n");    getchar();    char* addr = (char*) malloc(1000);    printf("After malloc and before free in thread 1\n");    getchar();    free(addr);    printf("After free in thread 1\n");    getchar();}
int main() {    pthread_t t1;    void* s;    int ret;    char* addr;
    printf("Welcome to per thread arena example::%d\n",getpid());    printf("Before malloc in main thread\n");    getchar();    addr = (char*) malloc(1000);    printf("After malloc and before free in main thread\n");    getchar();    free(addr);    printf("After free in main thread\n");    getchar();    ret = pthread_create(&t1, NULL, threadFunc, NULL);    if(ret)    {        printf("Thread creation error\n");        return -1;    }    ret = pthread_join(t1, &s);    if(ret)    {        printf("Thread join error\n");        return -1;    }    return 0;}

2.2. 案例輸出

2.2.1. 在主線程 malloc 之前

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，這里還沒有堆段也沒有每個線程的棧，因為 thread1 還沒有創(chuàng)建！

sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main thread...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthreadb7e05000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0 ...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

2.2.2. 在主線程 malloc 之后

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，堆段已經(jīng)產(chǎn)生，并且其地址區(qū)間正好在數(shù)據(jù)段（0x0804b000 - 0x0806c000）上面，這表明堆內(nèi)存是移動「Program Break」的位置產(chǎn)生的（也即通過 brk 中斷）。此外，請注意，盡管用戶只申請了 1000 字節(jié)的內(nèi)存，但是實際產(chǎn)生了 132KB 的堆。這個連續(xù)的堆區(qū)域被稱為「arena」。因為這個 arena 是被主線程建立的，因此其被稱為「main arena」。接下來的申請會繼續(xù)分配這個 arena 的 132KB 中剩余的部分。當(dāng)分配完畢時，它可以通過繼續(xù)移動 Program Break 的位置擴容。擴容后，「top chunk」的大小也隨之調(diào)整，以將這塊新增的空間圈進去；相應(yīng)地，arena 也可以在 top chunk 過大時縮小。

注意：top chunk 是一個 arena 位于最頂層的 chunk。有關(guān) top chunk 的更多信息詳見后續(xù)章節(jié)「top chunk」部分。

sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main threadAfter malloc and before free in main thread...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/lsploits/hof/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804b000-0806c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]b7e05000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0 ...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

2.2.3. 在主線程 free 之后

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，當(dāng)分配的內(nèi)存區(qū)域 free 掉時，其并不會立即歸還給操作系統(tǒng)，而僅僅是移交給了作為庫函數(shù)的分配器。這塊 free 掉的內(nèi)存添加在了「main arenas bin」中（在 glibc malloc 中，空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被稱為「bin」）。隨后當(dāng)用戶請求內(nèi)存時，分配器就不再向內(nèi)核申請新堆了，而是先試著各個「bin」中查找空閑內(nèi)存。只有當(dāng) bin 中不存在空閑內(nèi)存時，分配器才會繼續(xù)向內(nèi)核申請內(nèi)存。

sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main threadAfter malloc and before free in main threadAfter free in main thread...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/lsploits/hof/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804b000-0806c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]b7e05000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0 ...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

2.2.4. 在 thread1 malloc 之前

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，此時 thread1 的堆尚不存在，但其棧已產(chǎn)生。

sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main threadAfter malloc and before free in main threadAfter free in main threadBefore malloc in thread 1...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804b000-0806c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]b7604000-b7605000 ---p 00000000 00:00 0 b7605000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack:6594]...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

2.2.5. 在 thread1 malloc 之后

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，thread1 的堆段(b7500000 - b7521000，132KB)建立在了內(nèi)存映射段中，這也表明了堆內(nèi)存是使用 mmap 系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的，而非同主線程一樣使用 sbrk 系統(tǒng)調(diào)用。類似地，盡管用戶只請求了 1000B，但是映射到程地址空間的堆內(nèi)存足有 1MB。這 1MB 中，只有 132KB 被設(shè)置了讀寫權(quán)限，并成為該線程的堆內(nèi)存。這段連續(xù)內(nèi)存（132KB）被稱為「thread arena」。

注意：當(dāng)用戶請求超過 128KB(比如 malloc(132*1024)) 大小并且此時 arena 中沒有足夠的空間來滿足用戶的請求時，內(nèi)存將通過 mmap 系統(tǒng)調(diào)用（不再是 sbrk）分配，而不論請求是發(fā)自 main arena 還是 thread arena。

ploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main threadAfter malloc and before free in main threadAfter free in main threadBefore malloc in thread 1After malloc and before free in thread 1...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804b000-0806c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]b7500000-b7521000 rw-p 00000000 00:00 0 b7521000-b7600000 ---p 00000000 00:00 0 b7604000-b7605000 ---p 00000000 00:00 0 b7605000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack:6594]...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

2.2.6. 在 thread1 free 之后

從如下的輸出結(jié)果中我們可以看到，free 不會把內(nèi)存歸還給操作系統(tǒng)，而是移交給分配器，然后添加在了「thread arenas bin」中。

sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ ./mthread Welcome to per thread arena example::6501Before malloc in main threadAfter malloc and before free in main threadAfter free in main threadBefore malloc in thread 1After malloc and before free in thread 1After free in thread 1...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$ cat /proc/6501/maps08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539625     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/mthread/mthread0804b000-0806c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]b7500000-b7521000 rw-p 00000000 00:00 0 b7521000-b7600000 ---p 00000000 00:00 0 b7604000-b7605000 ---p 00000000 00:00 0 b7605000-b7e07000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack:6594]...sploitfun@sploitfun-VirtualBox:~/ptmalloc.ppt/mthread$

3. Arena

3.1. Arena 的數(shù)量

在以上的例子中我們可以看到，主線程包含 main arena 而 thread 1 包含它自己的 thread arena。所以線程和 arena 之間是否存在一一映射關(guān)系，而不論線程的數(shù)量有多大？當(dāng)然不是，部分極端的應(yīng)用甚至運行比處理器核數(shù)還多的線程，在這種情況下，每個線程都擁有一個 arena 開銷過高且意義不大。所以，arena 數(shù)量其實是限于系統(tǒng)核數(shù)的。

For 32 bit systems:Number of arena = 2 * number of cores.For 64 bit systems:Number of arena = 8 * number of cores.

3.2. Multiple Arena

舉例而言：讓我們來看一個運行在單核計算機上的 32 位操作系統(tǒng)上的多線程應(yīng)用（4 線程，主線程 + 3 個線程）的例子。這里線程數(shù)量（4）> 2 * 核心數(shù)（1），所以分配器中可能有 Arena（也即標題所稱「multiple arenas」）會被所有線程共享。那么是如何共享的呢？

• 當(dāng)主線程第一次調(diào)用 malloc 時，已經(jīng)建立的 main arena 會被沒有任何競爭地使用；

• 當(dāng) thread 1 和 thread 2 第一次調(diào)用 malloc 時，一塊新的 arena 將被創(chuàng)建，且將被沒有任何競爭地使用。此時線程和 arena 之間存在一一映射關(guān)系；

• 當(dāng) thread3 第一次調(diào)用 malloc 時，arena 的數(shù)量限制被計算出來，結(jié)果顯示已超出，因此嘗試復(fù)用已經(jīng)存在的 arena（也即 Main arena 或 Arena 1 或 Arena 2）；

• 復(fù)用：

• 一旦遍歷到可用 arena，就開始自旋申請該 arena 的鎖；

• 如果上鎖成功（比如說 main arena 上鎖成功），就將該 arena 返回用戶；

• 如果沒找到可用 arena，thread 3 的 malloc 將被阻塞，直到有可用的 arena 為止。

• 當(dāng)thread 3 調(diào)用 malloc 時(第二次了)，分配器會嘗試使用上一次使用的 arena（也即，main arena），從而盡量提高緩存命中率。當(dāng) main arena 可用時就用，否則 thread 3 就一直阻塞，直至 main arena 空閑。因此現(xiàn)在 main arena 實際上是被 main thread 和 thread 3 所共享。

3.3. Multiple Heaps

在「glibc malloc」中主要有 3 種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• heap_info ——Heap Header—— 一個 thread arena 可以維護多個堆。每個堆都有自己的堆 Header（注：也即頭部元數(shù)據(jù)）。什么時候 Thread Arena 會維護多個堆呢？一般情況下，每個 thread arena 都只維護一個堆，但是當(dāng)這個堆的空間耗盡時，新的堆（而非連續(xù)內(nèi)存區(qū)域）就會被 mmap 到這個 aerna 里；

• malloc_state ——Arena header—— 一個 thread arena 可以維護多個堆，這些堆另外共享同一個 arena header。Arena header 描述的信息包括：bins、top chunk、last remainder chunk 等；

• malloc_chunk ——Chunk header—— 根據(jù)用戶請求，每個堆被分為若干 chunk。每個 chunk 都有自己的 chunk header。

注意：

• Main arena 無需維護多個堆，因此也無需 heap_info。當(dāng)空間耗盡時，與 thread arena 不同，main arena 可以通過 sbrk 拓展堆段，直至堆段「碰」到內(nèi)存映射段；

• 與 thread arena 不同，main arena 的 arena header 不是保存在通過 sbrk 申請的堆段里，而是作為一個全局變量，可以在 libc.so 的數(shù)據(jù)段中找到。

main arena 和 thread arena 的圖示如下（單堆段）：

thread arena 的圖示如下（多堆段）：

4. Chunk

堆段中存在的 chunk 類型如下：

• Allocated chunk;

• Free chunk;

• Top chunk;

• Last Remainder chunk.

4.1. Allocated chunk

「Allocated chunck」就是已經(jīng)分配給用戶的 chunk，其圖示如下：

圖中左方三個箭頭依次表示：

• chunk：該 Allocated chunk 的起始地址；

• mem：該 Allocated chunk 中用戶可用區(qū)域的起始地址（= chunk + sizeof(malloc_chunk)）；

• next_chunk：下一個 chunck（無論類型）的起始地址。

圖中結(jié)構(gòu)體內(nèi)部各字段的含義依次為：

• prev_size：若上一個 chunk 可用，則此字段賦值為上一個 chunk 的大小；否則，此字段被用來存儲上一個 chunk 的用戶數(shù)據(jù)；

• size：此字段賦值本 chunk 的大小，其最后三位包含標志信息：

• PREV_INUSE § – 置「1」表示上個 chunk 被分配；

• IS_MMAPPED (M) – 置「1」表示這個 chunk 是通過 mmap 申請的（較大的內(nèi)存）；

• NON_MAIN_ARENA (N) – 置「1」表示這個 chunk 屬于一個 thread arena。

注意：

• malloc_chunk 中的其余結(jié)構(gòu)成員，如 fd、 bk，沒有使用的必要而拿來存儲用戶數(shù)據(jù)；

• 用戶請求的大小被轉(zhuǎn)換為內(nèi)部實際大小，因為需要額外空間存儲 malloc_chunk，此外還需要考慮對齊。

4.2. Free chunk

「Free chunck」就是用戶已釋放的 chunk，其圖示如下：

圖中結(jié)構(gòu)體內(nèi)部各字段的含義依次為：

• prev_size: 兩個相鄰 free chunk 會被合并成一個，因此該字段總是保存前一個 allocated chunk 的用戶數(shù)據(jù)；

• size: 該字段保存本 free chunk 的大小；

• fd: Forward pointer —— 本字段指向同一 bin 中的下個 free chunk（free chunk 鏈表的前驅(qū)指針）；

• bk: Backward pointer —— 本字段指向同一 bin 中的上個 free chunk（free chunk 鏈表的后繼指針）。

5. Bins

「bins」 就是空閑列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它們用以保存 free chunks。根據(jù)其中 chunk 的大小，bins 被分為如下幾種類型：

• Fast bin;

• Unsorted bin;

• Small bin;

• Large bin.

保存這些 bins 的字段為：

• fastbinsY: 這個數(shù)組用以保存 fast bins；

• bins: 這個數(shù)組用于保存 unsorted bin、small bins 以及 large bins，共計可容納 126 個，其中：

• Bin 1: unsorted bin;

• Bin 2 - 63: small bins;

• Bin 64 - 126: large bins.

5.1. Fast Bin

大小為 16 ~ 80 字節(jié)的 chunk 被稱為「fast chunk」。在所有的 bins 中，fast bins 路徑享有最快的內(nèi)存分配及釋放速度。

• 數(shù)量：10

• 每個 fast bin 都維護著一條 free chunk 的單鏈表，采用單鏈表是因為鏈表中所有 chunk 的大小相等，增刪 chunk 發(fā)生在鏈表頂端即可；—— LIFO

• chunk 大小：8 字節(jié)遞增

• fast bins 由一系列所維護 chunk 大小以 8 字節(jié)遞增的 bins 組成。也即，fast bin[0] 維護大小為 16 字節(jié)的 chunk、fast bin[1] 維護大小為 24 字節(jié)的 chunk。依此類推……

• 指定 fast bin 中所有 chunk 大小相同；

• 在 malloc 初始化過程中，最大的 fast bin 的大小被設(shè)置為 64 而非 80 字節(jié)。因為默認情況下只有大小 16 ~ 64 的 chunk 被歸為 fast chunk 。

• 無需合并 —— 兩個相鄰 chunk 不會被合并。雖然這可能會加劇內(nèi)存碎片化，但也大大加速了內(nèi)存釋放的速度！

• malloc(fast chunk)

• 初始情況下 fast chunck 最大尺寸以及 fast bin 相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均未初始化，因此即使用戶請求內(nèi)存大小落在 fast chunk 相應(yīng)區(qū)間，服務(wù)用戶請求的也將是 small bin 路徑而非 fast bin 路徑；

• 初始化后，將在計算 fast bin 索引后檢索相應(yīng) bin；

• 相應(yīng) bin 中被檢索的第一個 chunk 將被摘除并返回給用戶。

• free(fast chunk)

• 計算 fast bin 索引以索引相應(yīng) bin；

• free 掉的 chunk 將被添加到上述 bin 的頂端。

5.2. Unsorted Bin

當(dāng) small chunk 和 large chunk 被 free 掉時，它們并非被添加到各自的 bin 中，而是被添加在 「unsorted bin」 中。這使得分配器可以重新使用最近 free 掉的 chunk，從而消除了尋找合適 bin 的時間開銷，進而加速了內(nèi)存分配及釋放的效率。

譯者注：經(jīng) @kwdecsdn 提醒，這里應(yīng)補充說明「Unsorted Bin 中的 chunks 何時移至 small/large chunk 中」。在內(nèi)存分配的時候，在前后檢索 fast/small bins 未果之后，在特定條件下，會將 unsorted bin 中的 chunks 轉(zhuǎn)移到合適的 bin 中去，small/large。

• 數(shù)量：1

• unsorted bin 包括一個用于保存 free chunk 的雙向循環(huán)鏈表（又名 binlist）；

• chunk 大小：無限制，任何大小的 chunk 均可添加到這里。

5.3. Small Bin

大小小于 512 字節(jié)的 chunk 被稱為 「small chunk」，而保存 small chunks 的 bin 被稱為 「small bin」。在內(nèi)存分配回收的速度上，small bin 比 large bin 更快。

• 數(shù)量：62

• 每個 small bin 都維護著一條 free chunk 的雙向循環(huán)鏈表。采用雙向鏈表的原因是，small bins 中的 chunk 可能會從鏈表中部摘除。這里新增項放在鏈表的頭部位置，而從鏈表的尾部位置移除項。—— FIFO

• chunk 大小：8 字節(jié)遞增

• Small bins 由一系列所維護 chunk 大小以 8 字節(jié)遞增的 bins 組成。舉例而言，small bin[0] （Bin 2）維護著大小為 16 字節(jié)的 chunks、small bin[1]（Bin 3）維護著大小為 24 字節(jié)的 chunks ，依此類推……

• 指定 small bin 中所有 chunk 大小均相同，因此無需排序；

• 合并 —— 相鄰的 free chunk 將被合并，這減緩了內(nèi)存碎片化，但是減慢了 free 的速度；

• malloc(small chunk)

• 初始情況下，small bins 都是 NULL，因此盡管用戶請求 small chunk ，提供服務(wù)的將是 unsorted bin 路徑而不是 small bin 路徑；

• 第一次調(diào)用 malloc 時，維護在 malloc_state 中的 small bins 和 large bins 將被初始化，它們都會指向自身以表示其為空；

• 此后當(dāng) small bin 非空，相應(yīng)的 bin 會摘除其中最后一個 chunk 并返回給用戶；

• free(small chunk)

• free chunk 的時候，檢查其前后的 chunk 是否空閑，若是則合并，也即把它們從所屬的鏈表中摘除并合并成一個新的 chunk，新 chunk 會添加在 unsorted bin 的前端。

5.4. Large Bin

大小大于等于 512 字節(jié)的 chunk 被稱為「large chunk」，而保存 large chunks 的 bin 被稱為 「large bin」。在內(nèi)存分配回收的速度上，large bin 比 small bin 慢。

• 數(shù)量：63

• 32 個 bins 所維護的 chunk 大小以 64B 遞增，也即 large chunk[0](Bin 65) 維護著大小為 512B ~ 568B 的 chunk 、large chunk[1](Bin 66) 維護著大小為 576B ~ 632B 的 chunk，依此類推……

• 16 個 bins 所維護的 chunk 大小以 512 字節(jié)遞增；

• 8 個 bins 所維護的 chunk 大小以 4096 字節(jié)遞增；

• 4 個 bins 所維護的 chunk 大小以 32768 字節(jié)遞增；

• 2 個 bins 所維護的 chunk 大小以 262144 字節(jié)遞增；

• 1 個 bin 維護所有剩余 chunk 大小；

• 每個 large bin 都維護著一條 free chunk 的雙向循環(huán)鏈表。采用雙向鏈表的原因是，large bins 中的 chunk 可能會從鏈表中的任意位置插入及刪除。

• 這 63 個 bins

• 不像 small bin ，large bin 中所有 chunk 大小不一定相同，各 chunk 大小遞減保存。最大的 chunk 保存頂端，而最小的 chunk 保存在尾端；

• 合并 —— 兩個相鄰的空閑 chunk 會被合并；

• malloc(large chunk)

• User chunk（用戶請求大小）—— 返回給用戶；

• Remainder chunk （剩余大小）—— 添加到 unsorted bin。

• 初始情況下，large bin 都會是 NULL，因此盡管用戶請求 large chunk ，提供服務(wù)的將是 next largetst bin 路徑而不是 large bin 路勁 。

• 第一次調(diào)用 malloc 時，維護在 malloc_state 中的 small bin 和 large bin 將被初始化，它們都會指向自身以表示其為空；

• 此后當(dāng) large bin 非空，如果相應(yīng) bin 中的最大 chunk 大小大于用戶請求大小，分配器就從該 bin 頂端遍歷到尾端，以找到一個大小最接近用戶請求的 chunk。一旦找到，相應(yīng) chunk 就會被切分成兩塊：

• 如果相應(yīng) bin 中的最大 chunk 大小小于用戶請求大小，分配器就會掃描 binmaps，從而查找最小非空 bin。如果找到了這樣的 bin，就從中選擇合適的 chunk 并切割給用戶；反之就使用 top chunk 響應(yīng)用戶請求。

• free(large chunk) —— 類似于 small chunk 。

5.5. Top Chunk

一個 arena 中最頂部的 chunk 被稱為「top chunk」。它不屬于任何 bin 。當(dāng)所有 bin 中都沒有合適空閑內(nèi)存時，就會使用 top chunk 來響應(yīng)用戶請求。

當(dāng) top chunk 的大小比用戶請求的大小大的時候，top chunk 會分割為兩個部分：

• User chunk，返回給用戶；

• Remainder chunk，剩余部分，將成為新的 top chunk。

當(dāng) top chunk 的大小比用戶請求的大小小的時候，top chunk 就通過 sbrk（main arena）或 mmap（ thread arena）系統(tǒng)調(diào)用擴容。

5.6. Last Remainder Chunk

「last remainder chunk」即最后一次 small request 中因分割而得到的剩余部分，它有利于改進引用局部性，也即后續(xù)對 small chunk 的 malloc 請求可能最終被分配得彼此靠近。

那么 arena 中的若干 chunks，哪個有資格成為 last remainder chunk 呢？

當(dāng)用戶請求 small chunk 而無法從 small bin 和 unsorted bin 得到服務(wù)時，分配器就會通過掃描 binmaps 找到最小非空 bin。正如前文所提及的，如果這樣的 bin 找到了，其中最合適的 chunk 就會分割為兩部分：返回給用戶的 User chunk 、添加到 unsorted bin 中的 Remainder chunk。這一 Remainder chunk 就將成為 last remainder chunk。

那么引用局部性是如何達成的呢？

當(dāng)用戶的后續(xù)請求 small chunk，并且 last remainder chunk 是 unsorted bin 中唯一的 chunk，該 last remainder chunk 就將分割成兩部分：返回給用戶的 User chunk、添加到 unsorted bin 中的 Remainder chunk（也是 last remainder chunk）。因此后續(xù)的請求的 chunk 最終將被分配得彼此靠近。