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堆其实就是程序虚拟地址空间的一块连续的线性区域，它由低地址向高地址方向增长。一般称管理堆的那部分程序为堆管理器，堆管理器处于用户程序与内核中间。

在内存分配与使用过程中，Linux基本内存管理思想，只有当真正访问一个地址的时候，系统才会建立虚拟页面与物理页面的映射关系。虽然操作系统已经给程序分配了很大的一块内存，但这块内存其实只是虚拟内存。只有当用户使用到相应的内存时，系统才会通过缺页真正分配物理页面给用户使用。

Ptmalloc2 主要是通过malloc/free函数来分配和释放内存块

malloc 返回对应大小字节的内存块的指针，也对一些异常情况进行了处理：
malloc(n)

• 当 n = 0 时，返回当前系统允许的堆的最小内存块。
• 当 n 为负数时，size_t是无符号数，所以程序会申请很大的内存空间，但通常都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。

free 函数会释放由 p 所指向的内存块。这个内存块有可能是malloc函数得到的，也有可能是通过相关的函数realloc得到的。同样也对异常情况进行了处理：

free(p)

• 当 p 为空指针时，函数不执行任何操作。
• 当 p 已经被释放之后，再次释放会出现乱七八糟的效果，其实就是double free。
• 除了被禁用(mallopt)的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间。

分配背后的系统调用

申请和释放内存时并不真正与系统交互，背后的系统调用主要是(s)brk以及mmap、munmap函数。

(s)brk

初始时，堆的起始地址start_brk以及堆的当前末尾brk指向同一地址。是否开启ASLR,两者的具体位置会有所不同：

• 不开，start_brk以及brk会指向data/bss段的结尾。
• 开启，start_brk以及brk也会指向同一位置，只是这个位置是在data/bss段结尾后的随机偏移处。

在不同的上下文里，“堆”的含义差别很大，分两层来理解。

第一层：操作系统层面的“堆” (Heap Segment)

这是从进程的虚拟内存布局角度来看的。

• 是什么：在 Linux 进程中，内存被划分为不同的段（Segment），其中有一个区域叫“堆段（Heap Segment）”。它位于数据段（BSS）之后，向高地址方向生长。

• 管理者：这个区域由操作系统内核管理，通过brk和sbrk系统调用，可以调整堆段的“顶部边界”（即 program break）。

• 特点：

  • 这是进程最早获得的动态内存区域。

  • 它是一段连续的虚拟地址空间。

  • 进程启动时，堆段只有很小的初始大小，随着程序不断申请内存，堆段会逐渐扩大（brk向上推）。

一句话总结：操作系统层面的“堆”，是进程虚拟地址空间中，一块可以被程序动态扩充和收缩的连续内存区域，通过brk/sbrk来管理。

第二层：内存分配器层面的“堆” (Heap)

这是从ptmalloc2内存分配器的角度来看的。在 Glibc 中，malloc管理的内存并不局限于操作系统的那个“堆段”。

• 广义的堆：在ptmalloc2的语境下，“堆”是一个更广义的概念，它指的是所有由内存分配器管理并提供给malloc使用的动态内存池。它包含两种来源：

  1. 主分配区（main_arena）的堆：这直接对应操作系统层面的那个堆段，通过brk/sbrk扩展。这就是我们传统意义上说的“堆”。

  2. 非主分配区（thread arena）的堆：这些是通过mmap系统调用从操作系统匿名映射来的内存区域。它们在虚拟地址空间中是独立的、不连续的，并不在传统的“堆段”内。

• 管理单位：在ptmalloc2中，这些不同来源的内存块，被抽象成统一的heap_info结构来管理（非主分配区的每个堆段都有一个heap_info头部）。对于主分配区，因为它只有一个堆段，所以不需要heap_info结构。

一句话总结：ptmalloc2中的“堆”，是内存分配器管理的“内存池”的泛称，它可能来自brk堆段，也可能来自mmap映射区域。

第三层：数据结构层面的“堆” (Chunk & Top Chunk)

更具体地说，在ptmalloc2的源码和运行机制中，“堆”还指代两个具体的数据结构实体：

1. Top Chunk：

   • 每个 Arena（分配区）都有一个Top Chunk。它位于该 Arena 当前活跃堆段的最顶部（最高地址处）。

   • 它是该 Arena 的“最后储备金”。当所有空闲链表（Bin）都无法满足分配请求时，malloc会从 Top Chunk 中直接切割内存返回。

   • 当 Top Chunk 空间不足时，主分配区会通过brk扩展堆段，非主分配区会通过mmap创建新的堆段，从而获得新的 Top Chunk。

2. Heap Segment（堆段）：

   • 对于非主分配区，每个通过mmap映射来的连续内存区域，称为一个“堆段”。

   • 堆段的头部有一个heap_info结构，记录了它的大小、属于哪个 Arena，以及指向前一个堆段的指针。

   • 一个非主分配区可以有多个堆段，它们通过heap_info中的prev指针链接成一条单向链表。

三者关系图

+---------------------------------------------------------+ | 进程虚拟地址空间 | +---------------------------------------------------------+ | 代码段 | 数据段 | 堆段 (brk) | 内存映射段 (mmap) | 栈段 | +--------------------+----------+-------------------+-----+ | | | ▼ ▼ ▼ +-----------+ +-----------+ +--------------+ | main_arena| | thread_arena| | thread_arena| +-----------+ +-----------+ +--------------+ | | | ▼ ▼ ▼ +-----------+ +-----------+ +-----------+ | Top Chunk | | heap_info | | heap_info | | (brk堆段) | | (mmap堆段1)| | (mmap堆段2)| +-----------+ +-----------+ +-----------+ ▲ ▲ ▲ | | | └──────┬───────┴──────────────────┘ │ ▼ 所有堆段共同构成了 ptmalloc2 管理的“堆”

终极一句总结

“堆”在 Glibc 的语境下，是一个层叠的概念：

1. 从内核看，它是通过brk管理的一段连续虚拟内存区域（堆段）。

2. 从分配器看，它是main_arena的brk堆段和所有thread_arena的mmap堆段的总集合。

3. 从数据结构看，它是每个 Arena 顶部的Top Chunk，以及构成这些 Top Chunk 的多个heap_info堆段。