c++中的malloc底层实现代码

C++中的malloc是一种动态内存分配的方式，它可以在程序运行期间动态分配所需的内存大小，以满足程序运行时所需的空间需求。malloc的底层实现需要非常细致的代码编写，以下就介绍其详细实现攻略及示例说明。

1. malloc底层实现攻略

malloc的底层实现需要在内存管理器中调用操作系统API获取更多的内存空间，然后通过算法来管理这些空间的分配和释放。下面是malloc的详细实现攻略：

步骤一：定义管理内存的结构体

首先，需要定义一个结构体，用于管理动态分配的内存。该结构体包括三个主要的成员：已使用的内存大小、空闲的内存大小和一个指向首个空闲内存块的指针。

struct MemoryBlock {
    size_t size; // 已使用的内存大小
    MemoryBlock* nxt; // 指向下一个内存块的指针
};

步骤二：定义内存管理器

其次，需要定义一个内存管理器，用于管理所有动态分配的内存，并提供分配和释放内存的相关函数。这个管理器使用一个循环链表来保存所有空闲的内存块。循环链表的头是一个指向第一个空闲内存块的指针，它永远不为空。如果没有任何可用内存块，则内存管理器将调用操作系统API请求更多内存。

class MemoryManager {
public:
    MemoryManager() {
        _head = nullptr;
        _free_mem_size = 0;
        _used_mem_size = 0;
    }
    ~MemoryManager() {
        ReleaseAllMem();
    }

    // 动态分配内存
    void* Allocate(size_t size);

    // 释放已分配的内存
    void Free(void* p);

private:

    // 释放所有已分配内存的函数
    void ReleaseAllMem();

    MemoryBlock* _head; // 指向第一个空闲内存块的指针
    size_t _free_mem_size; // 空闲内存大小
    size_t _used_mem_size; // 已使用的内存大小
};

步骤三：实现内存分配函数

接下来，需要实现内存分配函数Allocate。该函数按照给定的大小分配内存，并返回一个指向新分配的内存的指针。该函数的实现过程如下：

1. 检查是否有足够的空闲内存块，如果没有，则调用操作系统API获取更多的内存空间。

2. 遍历空闲内存块列表，寻找一个空间大于等于请求大小的内存块。

3. 如果找到了，则从空闲块链表中移除该块，并返回指向该块的指针。

4. 如果没有找到，则调用操作系统API获取更多内存空间，然后重新开始执行第二步。

void* MemoryManager::Allocate(size_t size) {
    if(size == 0) {
        return nullptr;
    }

    // 遍历空闲内存块链表，寻找一个空闲块
    MemoryBlock* p = _head;
    MemoryBlock* prev = _head;
    while(p != nullptr) {
        if(p->size >= size) {
            if(p->size > size) {
                // 将内存块分裂成两个块
                auto* remains = reinterpret_cast<MemoryBlock*>(reinterpret_cast<char*>(p) + size + sizeof(MemoryBlock));
                remains->size = p->size - size - sizeof(MemoryBlock);
                remains->nxt = p->nxt;

                if(p == _head) {
                    _head = remains;
                } else {
                    prev->nxt = remains;
                }
            } else {
                // 将该内存块从空闲链表中移除
                if(p == _head) {
                    _head = p->nxt;
                } else {
                    prev->nxt = p->nxt;
                }
            }

            _free_mem_size -= size + sizeof(MemoryBlock);
            _used_mem_size += size;
            return reinterpret_cast<void*>(reinterpret_cast<char*>(p) + sizeof(MemoryBlock));
        }
        prev = p;
        p = p->nxt;
    }

    // 没有找到一个空闲块，申请一个新的内存块
    const size_t block_size = max(sizeof(MemoryBlock), size);
    const auto* new_block = reinterpret_cast<MemoryBlock*>(malloc(block_size));
    new_block->size = block_size - sizeof(MemoryBlock);
    new_block->nxt = _head;
    _head = new_block;
    _free_mem_size += new_block->size + sizeof(MemoryBlock);

    // 递归调用再次查找
    return Allocate(size);
}

步骤四：实现内存释放函数

最后，需要实现内存释放函数Free。该函数接受一个指向动态分配的内存的指针，并将内存块释放回空闲内存块列表中。这个函数实现很简单，只需要创建一个新的空闲内存块，并将其插入到空闲块列表的开头。

void MemoryManager::Free(void* p) {
    if(p == nullptr) {
        return;
    }

    auto* block_ptr = reinterpret_cast<MemoryBlock*>(reinterpret_cast<char*>(p) - sizeof(MemoryBlock));
    auto* p1 = _head;
    auto* prev = _head;

    while(p1 != nullptr && p1 < block_ptr) {
        prev = p1;
        p1 = p1->nxt;
    }

    block_ptr->nxt = p1;
    _free_mem_size += (block_ptr->size + sizeof(MemoryBlock));
    _used_mem_size -= block_ptr->size;

    if(prev == p1) {
        _head = block_ptr;
        return;
    }

    prev->nxt = block_ptr;
}

2. 示例说明

以下是两个示例，以演示如何使用我们的内存管理器来分配和释放内存：

示例一：分配字符串内存

int main() {
    MemoryManager mm;
    auto* str = reinterpret_cast<char*>(mm.Allocate(100));
    strcpy(str,"Hello");
    strcat(str," world!");
    cout << str << endl;
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用mm.Allocate()函数来动态分配内存，并将其用于存储字符串"Hello world!"。

示例二：释放内存

int main() {
    MemoryManager mm;
    auto* str = reinterpret_cast<char*>(mm.Allocate(100));
    strcpy(str,"Hello");
    strcat(str," world!");
    cout << str << endl;
    mm.Free(str);
    return 0;
}

在这个例子中，我们首先使用mm.Allocate()函数来动态分配内存，然后使用mm.Free()函数来释放它。