Memory management 使用什么数据结构来实现动态内存分配堆？

我一直认为a是用来实现a的，但有人告诉我我错了

堆（例如，由典型的

malloc

例程或Windows的

HeapCreate

等实现的堆）通常是如何实现的？他们使用什么数据结构

我没有问的是： 在网上搜索时，我看到了大量关于如何在严格限制下实现堆的描述。
举几个例子，我看到了很多关于如何实现的描述：

• 永远不会将内存释放回操作系统的堆（！）
• 仅在较小、大小相似的块上提供合理性能的堆
• 仅为大型连续块提供合理性能的堆
• 等等

有趣的是，他们都回避了更难的问题：
如何实现“正常”的通用堆（如

malloc

，

HeapCreate

后面的堆）

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他们使用什么样的数据结构（可能还有算法？

注意：下面的答案假设您使用的是一个典型的、带有虚拟内存的现代系统。C和C++标准不需要虚拟内存；因此，如果没有此功能，您当然不能在硬件上依赖此类假设（例如，GPU通常没有此功能；PIC等非常小的硬件也没有此功能）

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这取决于您使用的平台。堆可以是非常复杂的野兽；它们不仅使用单一的数据结构；而且没有“标准”的数据结构。即使堆代码所在的位置也因平台而异。例如，堆代码通常由Unix机器上的C运行时提供；但通常由Windows上的操作系统提供

是的，这在Unix机器上很常见；由于*nix的底层API和内存模型的运行方式。基本上，向这些系统上的操作系统返回内存的标准API只允许在分配用户内存的“边界”和用户内存与系统设施（如堆栈）之间的“漏洞”上返回内存。（有关的空气污染指数为）。许多堆不是将内存返回操作系统，而是尝试重用程序本身不再使用的内存，而不是将内存返回系统。这在Windows上不太常见，因为它的等价物

sbrk

（

VirtualAlloc

）没有此限制。（但与

sbrk

类似，它非常昂贵，并且有一些警告，比如只分配页面大小和页面对齐的块。因此堆尝试尽可能少地调用这两个块）

这听起来像是一个“块分配器”，它将内存分成固定大小的块，然后只返回一个空闲块。据我（尽管有限）了解，Windows的RtlHeap为不同的已知块大小维护了许多类似的数据结构。（例如，它将有一个用于大小为16的块）RtlHeap调用这些“lookaside list”

我真的不知道有哪种结构能很好地处理这个案子。对于大多数分配系统来说，大数据块是有问题的，因为它们会导致地址空间的碎片化

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我发现讨论主要平台上使用的常见分配策略的最佳参考是这本书。第4章的所有内容都专门讨论堆数据结构（以及当用户不正确地使用所述堆系统时引起的问题）。

分配器往往非常复杂，并且在实现方式上往往存在显著差异

您不能用一种通用的数据结构或算法来描述它们，但有一些通用的主题：

内存是以大块的形式从系统中获取的，通常一次获取兆字节

然后，在执行分配时，这些块会被拆分为多个较小的块。与分配的大小不完全相同，但通常在某些范围内（200-250字节、251-500字节等）。有时这是多层的，在这里你会有一层额外的“中间块”，在你的实际请求之前

控制要从哪个“大块”中断开一块是一件非常困难和重要的事情——这会极大地影响内存碎片

为每个范围维护一个或多个空闲池（也称为“空闲列表”、“内存池”、“查找列表”）。有时甚至线程本地池。这可以大大加快分配/取消分配许多大小相似的对象的模式

大型分配的处理方式有点不同，这样就不会浪费大量RAM，也不会进行太多池化（如果有的话）

若您想查看一些源代码，它是一个现代的高性能分配器，并且应该在其他常见分配器的复杂性方面具有代表性。是另一个常见的通用分配器，他们的网站详细介绍了所有血淋淋的实现细节。英特尔有一个专为高并发性而构建的分配器

Windows和*nix之间有一个有趣的区别。在*nix中，分配器对应用程序使用的地址空间具有非常低级的控制。在Windows中，您基本上有一个过程粒度、速度慢的分配器

VirtualAlloc

，以使您自己的分配器脱离它

这导致*nix兼容的分配器通常直接为您提供

malloc

/

免费

实现，其中假定您对所有内容都只使用一个分配器（否则它们会相互践踏），而Windows特定的分配器提供附加功能，将

malloc

/

单独保留为自由的

，并且可以协调使用（例如，您可以使用HeapCreate创建可以与其他堆一起工作的私有堆）

在实践中，这种灵活性的交换使*nix分配器在性能方面有了一个小的提升。很少看到一个应用程序故意在Windows上使用多个堆——大部分是由acciden开发的