malloc底层两种堆内存申请方式 brk + mmap 匿名映射

前置

进程堆区位于 BSS 段之后，自低地址向高地址增长。 内核通过 mm_struct 中的 program break 标记堆的上边界。 用户态动态内存扩容，内核只提供两种底层方式：brk 主堆扩容、mmap 匿名映射扩容。

1. brk /sbrk（小块内存）

函数原型与返回值

// brk 系统调用
int brk(void *addr);

• 参数 addr：想要设置的 program break 目标虚拟地址。

• 返回值：成功返回 0；失败返回 -1。

作用：直接把堆边界设置到指定绝对地址。

// sbrk库函数，封装brk
void *sbrk(intptr_t increment);

• 参数 increment：地址增量。正数扩大堆；负数缩小堆；传 0 获取当前堆边界。

• 返回值：成功返回扩容之前旧的 program break 地址；失败返回 (void*)-1。

题外话：函数VS系统调用

机制

• 扩容：抬高 program break，仅拓宽虚拟地址空间，无物理内存分配；首次访问缺页、分配物理页。

• 释放：free 只标记内存空闲，默认不回缩堆、不归还内核，仅堆顶超大空闲时才回缩边界。

特点

• 虚拟内存连续一整块

• 容易产生内存碎片

• 系统调用少、速度快

• 适用：小于 128KB 小块内存

2. mmap 匿名映射（大块内存）

函数原型与返回值

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• 参数

  • addr：期望映射起始地址，传 NULL 由内核自动分配

  • length：映射字节长度

  • prot：内存权限（可读、可写等）

  • flags：映射类型，匿名映射使用 MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE

  • fd：匿名映射填 - 1

  • offset：匿名映射填 0

• 返回值：成功返回映射区域起始虚拟地址；失败返回 MAP_FAILED（宏，本质是(void*)-1）

配套释放接口

int munmap(void *addr, size_t length);

• 参数：映射起始地址、长度

• 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1

机制

• 分配：新建独立虚拟内存，访问缺页才分配物理页

• 释放：munmap 直接解除映射、立刻归还内核

特点

• 每块内存离散、独立

• 无内存碎片

• 每次分配释放都触发系统调用，开销更高

• 适用：大于等于 128KB 大块内存

3. 核心对比

4. 终极总结

1. brk 接收绝对地址设置堆边界；sbrk 传入增量移动边界，返回旧断点地址。mmap 创建独立匿名虚拟区域，munmap 释放。

2. brk 靠移动堆边界扩容，连续高效但不主动释放，有碎片。

3. mmap 新建独立虚拟内存，释放彻底无碎片，但开销更大。