malloc() 和 free()小结

一 .问题引出
    以下程序执行后占用内存近1G。。。

int times = 10000;
    int i = 0;
    char *alloc[times];
    for(i = 0; i < times; i++)
    {
        alloc[i] = (char*)malloc(100000);
        memset(alloc[i], 1, 100000);
    }

    //for(i = 0; i < times; i++)
    for(i = 0; i < times - 1; i++)
    {
        free(alloc[i]);
    }
    while(1)
        sleep(10);
    return 0

原因：因为在malloc申请内存的过程中（小于128K，用brk方式分配内存；否则mmap方式），数据段的高地址指针_edata一直在后移（向高地址移动）。但在释放空间的时候，由于高地址处的空间并没有释放，因此导致堆空间并没有被压缩，因此程序占用近1G的空间。如果循环free的语句替换为注释的那条语句，则没有这个问题。
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下面这个程序也占内存近1G。。。。

#include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    int main()
    {
        int times = 20000;
        char* small[times];
        char* big[times];
        for(int j=0; j<1; j++)
        {
            for(int i=0; i<times; i++)
            {
                big[i] = (char*)malloc(50000);
                memset(big[i], 1, 50000);
                small[i] = (char*)malloc(1);
                memset(small[i], 1, 1);
            }
            for(int i=0; i<times; i++)
            {
                free(small[i]);
                free(big[i]);
            }
        }
        //char *alloc = (char*)malloc(2000);
        //free(alloc);
        while(1)
        {
          sleep(10);
        }
        return 0;
    }

原因：程序在malloc时会根据申请空间的大小执行不同的分支（fastbin，bins，largebin）。
fastbin：申请空间小于80Bytes时，如上面small数组
bins：申请空间在80Byte～～128K
largebin：申请空间大于128K时，采用mmap方式
同时在free的时候操作也不一样。
对于fastbin来说，free()小空间（如small[i]）时直接连接到fastbin list上，同时使用标志位不改，仍为1，以便下次申请时直接拿走（这样效率高）。
对于big[i]的空间来说，先放到unsorted list上缓存，然后根据需要在放到相应的bin上。
因此对于上面的程序，虽然对所有空间都执行了free操作，但是small[i]所占空间的标志位仍为1，而big[i]它试图合并相邻的块，但是和它相邻的块的使用位还是 1 ，所以它不能把相邻的块合并。所以使用的堆无法压缩。

如果在外循环后面再分配 2000 字节然后释放的话，所有内存将全部清空。这是因为在申请 2000 字节的时候，由 malloc 的第二步，程序会先调用 consolidate ，即把所有的 fastbins 清空，同时把相邻的块合并起来，等到所有的 fastbins 清空的时候，所有的块也被合并去来了，然后调用 free2000 字节的时候，这块被将被合并起来 ，成为 topchunk ，并且大小远大于 64k ，所有堆将会收缩，内存归还给系统。



相关参考如下：
1、框架介绍
http://blog.csdn.net/ugg/article/details/4344247
2、源码分析

3、概要
http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201210975312473/
4、FreeBSD-7 内核mallc源码分析（可对比查看）
http://blogimg.chinaunix.net/blog/upfile2/080101160701.pdf
5、内存分配方式介绍
http://blog.csdn.net/ugg/article/details/4344522