malloc 的详细工作原理是什么？

Question

我正在尝试查找有关 malloc 函数的一些有用信息。当我调用这个函数时，它会动态分配内存。它 returns 指向已分配内存开头的指针（例如地址）。 问题：

如何使用返回的地址 read/write 进入分配的内存块（使用间接寻址寄存器或如何？）
如果无法分配内存块，则它 returns NULL。就硬件而言，NULL 是什么？
为了在堆中分配内存，我们需要知道哪些内存部分被占用了。这些信息（关于占用的内存）存储在哪里（例如，如果我们使用小型 RISC 微控制器）？

Answer 1

既然您使用的是 malloc，我们可以假设您使用的是 C 语言吗？如果是这样，您将结果分配给一个指针变量，然后您可以通过引用该变量来访问内存。你真的不知道这是如何在汇编中实现的。这取决于您使用的 CPU。 malloc return 0 如果失败。由于通常 NULL 被定义为 0，因此您可以测试 NULL。您不关心 malloc 如何跟踪空闲内存。如果您确实需要此信息，您应该查看 glibc/malloc 中的源代码，可在网上找到

char * c = malloc(10);   // allocate 10 bytes
if (c == NULL)
   // handle error case
else
   *c = 'a'  // write a in the first character on the block

Answer 2

Q3 通常管理堆的方式是通过链表。在最简单的情况下，malloc 函数保留指向堆中第一个 free-space 块的指针，每个 free-space 块都有一个指向下一个空闲 space 的 header块在堆中。所以堆是 in-effect self-defining 就知道什么没有被占用（以及由此推断什么被占用）而言；这最大限度地减少了管理堆所需的开销 RAM 量。

当通过 malloc 调用需要新的 space 时，通过遍历链表找到足够大的 free-space 块。找到的 free-space 块被提供给 malloc 调用者（带有一个小的隐藏 header），如果需要，一个较小的 free-space 块被插入到链表中，其中包含任何残差 space 在原始空闲 space 块和 malloc 调用要求的内存量之间。

当一个堆块被应用程序释放时，它的块只是用linked-listheader格式化，并添加到链表中，通常有一些额外的逻辑来组合连续的free-space 块合并为一个更大的 free-space 块。

调试版本的 malloc 通常会做更多的事情，包括也保留 linked-list 分配的区域，"guard zones" 在分配的堆区域周围帮助检测内存溢出等。这些占用额外的堆space（就应用程序可用 space 而言，使堆有效变小），但在调试时非常有用。

Q2 NULL 指针实际上只是一个零，如果使用它会尝试访问从 RAM 的位置 0 开始的内存，这几乎总是 OS 的保留内存。这是大量内存违规中止的原因，所有这些都是由于程序员缺乏对分配内存的函数的 NULL returns 错误检查造成的）。

因为 non-OS 应用程序访问内存位置 0 从来都不是我们想要的，所以大多数硬件都会中止 non-OS 软件访问位置 0 的任何尝试。即使使用页面映射使得应用程序内存 space（包括位置 0）永远不会映射到实际 RAM 位置 0，因为 NULL 始终为零，大多数 CPU 仍然会中止访问位置 0 的尝试，假设这是通过包含 NULL 的指针进行访问。

鉴于您的 RISC 处理器，您将需要阅读其文档以了解它如何处理访问内存位置 0 的尝试。

Q1 有许多 high-level 语言方法可以使用分配的内存，主要是通过指针、字符串和数组。

就汇编语言和硬件本身而言，分配的堆块地址只是被放入一个用于内存间接寻址的寄存器中。您将需要了解 RISC 处理器是如何处理它的。但是，如果您使用 C 或 C++ 或此类更高级的语言，则无需担心寄存器；编译器会处理所有这些。

malloc 的详细工作原理是什么？

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