【底层机制】malloc 在实现时为什么要对大小内存采取不同策略？

malloc 在底层区分小内存和大内存分配，主要是为了在性能、内存利用率和碎片控制这几个关键目标上取得最佳平衡。

这种区分是多年实践和优化的结果，其主要原因可以归纳为以下几点：

1. 应对不同分配模式的需求

程序的内存分配请求通常呈现出一种“二八定律”或类似模式：

• 频繁分配和释放的都是小块内存（如对象、结构体、字符串等）。对这些操作，速度是首要目标。
• 偶尔才会分配大块内存（如大的缓冲区、数组、图像数据等）。对这些操作，避免内存浪费和方便管理更为重要。

为这两种截然不同的模式采用同一种分配策略是低效的。因此，malloc 采用了分级分配的策略。

2. 减少内存碎片（Fragmentation）

内存碎片是内存分配器的天敌，分为内部碎片和外部碎片。

• 内部碎片：分配器分配给程序的内存块比程序实际请求的大，这中间浪费的空间就是内部碎片。

• 外部碎片：空闲内存被分散成许多不连续的小块，导致无法满足较大的分配请求，即使总空闲空间足够。

• 对于小内存：分配器（如 glibc 的 ptmalloc）会预先通过 brk/sbrk 申请一大块内存（称为 Heap 或 Arena），并将其划分为各种固定大小的内存池（也称为 bins，例如 16字节、24字节、32字节...的桶）。

  • 当程序申请小块内存时，分配器会快速找到一个合适大小的桶，从中分配一块。
  • 释放时，内存块回到对应的桶中。
  • 好处：由于大小固定，分配和释放速度极快。并且能有效减少外部碎片，因为只有相同大小的内存块会在池子中交换。

• 对于大内存：使用 mmap 单独映射一块内存。

  • 这块内存的大小正好等于请求的大小（加上一些元数据开销）。
  • 好处：分配和释放都非常直接。释放时通过 munmap 将整块内存直接归还给操作系统，完全避免了这块内存区域的碎片问题（无论是内部还是外部碎片）。

3. 性能优化

• 小内存分配：在预先分配的内存池中操作，主要是在用户态进行链表操作，速度非常快。并且由于操作的是连续的内存区域，缓存局部性（Cache Locality）更好。
• 大内存分配：虽然 mmap 系统调用有一定开销，但大内存分配本身就不频繁，这种开销是可接受的。更重要的是，munmap 释放大内存后，能立刻将物理页归还给操作系统，减轻系统整体内存压力。

4. 降低系统调用开销

系统调用（如 brk 和 mmap）需要从用户态切换到内核态，开销很大。

• 通过 brk 一次性扩展堆空间来服务大量的小内存请求，可以摊薄（Amortize） 每次分配的系统调用开销。成百上千次小分配可能只源于一两次 brk 调用。
• 对于大内存，由于其不频繁，即使每次分配都调用一次 mmap，总体开销也是可控的。

5. 便于内存归还操作系统

这是一个关键但常被忽略的点。

• brk 分配的堆内存：释放小内存块时，它只是回到分配器的空闲列表中，并不会立即触发收缩堆的操作（brk 系统调用减少program break）。因为分配器预期程序很快就会再次申请同样大小的内存。收缩堆是一个昂贵的操作，而且可能只在堆顶部的内存全部空闲时才能进行。因此，通过 brk 分配的内存很难彻底还给操作系统。
• mmap 分配的大内存：由于是独立映射的，free 这类内存时，可以立即调用 munmap，干净利落地将整块内存连同理物理页一起归还给操作系统。这对于长时间运行的程序（如守护进程、服务端程序）非常重要，可以防止它们的内存占用（RSS）无限增长。

总结对比

这种“大小分离”的设计是现代内存分配器（如 glibc 的 ptmalloc）高效工作的基石。它聪明地针对不同规模的内存请求采用了最合适的策略，从而在整体上提供了优异的性能。