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目录

一、new调用了啥？

二、malloc为什么可以分配内存？

三、brk和mmap

（1）brk

（2）mmap

（3）对比

四、虚拟地址空间结构认识

五、malloc在高并发情况下的缺陷

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        因为在写代码的时候，最常用的就是new来创建一个对象，但是new在c语言中是没有的，所以我特别想搞清楚new和malloc到底有啥区别？在调用他们的时候又为什么可以给我分配内存？本篇文章基于对new源代码的分析，达到理解底层的内存池的作用。为后续我们的高并发内存池提供一个模范。

一、new调用了啥？

#include<iostream>
using namespace std;class ymh
{
public:ymh() {cout << "构造" << endl;}~ymh() {cout << "析构" << endl;}
private:int _data;
};int main()
{ymh* p = new ymh();delete p;return 0;
}

这是一个简单的创建类对象的方式。我们进入new函数看看他实际上调用了哪些函数？

_NODISCARD _Ret_notnull_ _Post_writable_byte_size_(size) _VCRT_ALLOCATOR
_CRT_SECURITYCRITICAL_ATTRIBUTE
void* __CRTDECL operator new(size_t const size)
{for (;;){if (void* const block = malloc(size)){return block;}if (_callnewh(size) == 0){if (size == SIZE_MAX){__scrt_throw_std_bad_array_new_length();}else{__scrt_throw_std_bad_alloc();}}// The new handler was successful; try to allocate again...}
}

        可以看到new实际上是被编译器转换成了operator new，而operator new是分为两个部分的：

（1）调用malloc

（2）如果分配内存失败则抛异常

        那么有人就会问了，new不是会调用构造函数吗？可是这里的operator new并没有看到啊？其实是c++强调解耦，operator new只用于分配内存空间，而构造函数是编译器在编译代码的时候自动添加的，我们不能直接看到。

        这里抛异常为什么不是根据malloc的返回值来决定抛异常与否呢？malloc失败只能返回NULL，但是你并不清楚是为什么失败，所以才有了下面对size的判断，看到底是你申请的空间超过理论最大值了，还是底层真的没有空间了。对于异常情况c++抛出不同的异常类型，可以方便程序员检查出自己代码的错误。

二、malloc为什么可以分配内存？

下面的三段代码是我在glibc库中找到的关于malloc的代码：

• __libc_malloc函数是内存分配的主要入口点。
• 在启用线程缓存的情况下，它首先尝试从线程缓存中获取内存块，以避免锁竞争和减少系统调用。
• 若线程缓存无法满足请求，则调用__libc_malloc2，该函数可能负责更复杂的内存分配逻辑，如使用内存池、堆管理或系统调用。

void * __libc_malloc (size_t bytes)
{
#if USE_TCACHEsize_t tc_idx = csize2tidx (checked_request2size (bytes));if (tcache_available (tc_idx))return tag_new_usable (tcache_get (tc_idx));
#endifreturn __libc_malloc2 (bytes);
}
函数名为__libc_malloc，参数为size_t bytes，返回一个void指针。
这表明这是一个内存分配函数，用于分配指定大小的内存块。
函数内部检查USE_TCACHE宏定义，若定义，则计算tc_idx并
使用tcache_get从线程缓存（tcache）中获取内存块。若获取成功，则返回标记为可用的内存块。
若线程缓存不可用或未定义USE_TCACHE，则调用__libc_malloc2函数进行内存分配。

static __always_inline void *
tag_new_usable (void *ptr)
{if (__glibc_unlikely (mtag_enabled) && ptr){mchunkptr cp = mem2chunk(ptr);ptr = __libc_mtag_tag_region (__libc_mtag_new_tag (ptr), memsize (cp));}return ptr;
}

static void * __attribute_noinline__ 
__libc_malloc2 (size_t bytes)
{mstate ar_ptr;void *victim;if (!__malloc_initialized)ptmalloc_init ();MAYBE_INIT_TCACHE ();if (SINGLE_THREAD_P){victim = tag_new_usable (_int_malloc (&main_arena, bytes));assert (!victim || chunk_is_mmapped (mem2chunk (victim)) ||&main_arena == arena_for_chunk (mem2chunk (victim)));return victim;}arena_get (ar_ptr, bytes);victim = _int_malloc (ar_ptr, bytes);/* Retry with another arena only if we were able to find a usable arenabefore.  */if (!victim && ar_ptr != NULL){LIBC_PROBE (memory_malloc_retry, 1, bytes);ar_ptr = arena_get_retry (ar_ptr, bytes);victim = _int_malloc (ar_ptr, bytes);}if (ar_ptr != NULL)__libc_lock_unlock (ar_ptr->mutex);victim = tag_new_usable (victim);assert (!victim || chunk_is_mmapped (mem2chunk (victim)) ||ar_ptr == arena_for_chunk (mem2chunk (victim)));return victim;
}

      从这上面的分析我们就可以看出来：malloc底层调用了__libc_malloc，而__libc_malloc又做了以下步骤：

（1）检查线程缓存中有没有空闲内存块，如果有则直接分配返回

（2）如果没有空闲内存块了，则调用__libc_malloc2真正的分配空间。

（3）__libc_malloc2又做了许多的事情，比如调用arena_get函数进行mutex加锁，而brk 和 mmap 的使用隐藏在 _int_malloc 函数中，根据分配的内存大小和配置，动态选择最合适的内存分配方式。（只不过由于封装的太厉害，我们要进入很深的函数才能看到真的调用了brk和mmap等系统调用，在这里我们还找到了一份lite_malloc的代码，他可以直观的看到brk和mmap）

总结：

malloc会先在自己的内存池中找，看有没有空闲空间如果有则分配给调用者，如果没有则利用系统调用brk和mmap向操作系统拿一块空间再分配。

三、brk和mmap

（1）brk

（2）mmap

（3）对比

注意：不论是brk还是mmap，都是在虚拟地址空间中进行分配的，也就是他只是操作了我们pcb结构体中的某些字段，但是真正和物理内存建立映射是在第一次访问发生缺页中断的时候。

四、虚拟地址空间结构认识

        我们平时写完程序编译后，其实是把高级语言编译成机器码，存放在磁盘中，但是这些机器码中一定记录了各个区段的相对位置关系，这样在运行程序的时候就方便从磁盘中直接拿到虚拟地址空间。

下面是各个区域负责存放什么东西的示意图。大家了解一下即可。

五、malloc在高并发情况下的缺陷

        malloc是一个针对大多数情况下都适用的内存分配器，大多地方适用则意味着他在多线程同时访问的情况下，会有一定的劣势。

（1）并没有采取像tcmalloc的线程使用自己的缓存TLS无锁访问，而是全局锁，这就导致了多个线程即使想要访问自己的缓存也要进行竞争。

（2）TCmalloc采取了不同大小的内存块放到不同的链表维护，这样使用的时候可以直接查看对应桶中有无节点，而malloc采取的则是把所有不同大小的内存块放入一个链表，使用的时候遍历该链表。

（3）malloc的内存碎片问题也不如TCmalloc。

        malloc在普通情况下已经足够优秀了，但是术业有专攻，我们同样需要学习在高并发场景下更优秀的TCmalloc。