問題：
我們在寫程序的時候經常發現程序使用的內存往往比我們申請的多，為了優化程序的內存占用，攪盡腦汁想要優化內存占用，可是發現自己的代碼也無從優化了，怎麼辦？現在我們把我們的焦點放到malloc上，畢竟我們向系統申請的內存都是通過它完成了，不了解他，也就不能徹底的優化內存占用。
來個小例子
//g++ -o malloc_addr_vec mallc_addr_vec.cpp 編譯
#include<iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[])
{
int malloc_size = atoi(argv[1]);
char * malloc_char;
for (size_t i = 0; i < 1024*1024; ++i) {
malloc_char = new char[malloc_size];
}
while (1) {}//此時查看內存占用
return 0;
}
本文的測試環境為Linux 64Bit ,使用G++編譯為可執行文件後，使用不同的啟動參數啟動，使用top命令查看程序占用的內存，這裡我們主要是看RES指標
RES -- Resident size (kb)
The non-swapped physical memory a task has used.
測試案例：
1.每次new 1 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 1
啟動程序後的內存占用
內存消耗 32MB
2.每次new 24 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 24
啟動程序後的內存占用
內存消耗32MB
3.每次new 25 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 25
啟動程序後的內存占用
內存消耗48MB
為什麼我們每次new 1Byte 和每次 new 24Byte系統消耗的內存一樣呢？，為什麼每次new 25Byte和 每次new 24Byte占用的內存完全不同呢？
不知道大家在寫程序的時候有沒有關注過這個問題。我一次遇到時，吐槽一句：What the fuck malloc.
原因分析：
在大多數情況下，編譯器和C庫透明地幫你處理對齊問題。POSIX 標明了通過malloc( ), calloc( ), 和 realloc( ) 返回的地址對於任何的C類型來說都是對齊的。
對齊參數（MALLOC_ALIGNMENT） 大小的設定並需滿足兩個特性
1.必須是2的冪
2.必須是(void *)的整數倍
至於為什麼會要求是(void *)的整數倍，這個目前我還不太清楚，等你來發現...
根據這個原理，在32位和64位的對齊單位分別為8字節和16字節
但是這並解釋不了上面的測試結果，這是因為系統malloc分配的最小單位（MINSIZE）並不是對齊單位
為了進一步了解細節，從GNU網站中把glibc源碼下載下來，查看其malloc.c文件
#ifndef INTERNAL_SIZE_T
#define INTERNAL_SIZE_T size_t
#endif
#define SIZE_SZ (sizeof(INTERNAL_SIZE_T))
#ifndef MALLOC_ALIGNMENT
#define MALLOC_ALIGNMENT (2 * SIZE_SZ)
#endif
struct malloc_chunk {
INTERNAL_SIZE_T prev_size; /* Size of previous chunk (if free). */
INTERNAL_SIZE_T size; /* Size in bytes, including overhead. */
struct malloc_chunk* fd; /* double links -- used only if free. */
struct malloc_chunk* bk;
};
An allocated chunk looks like this:
chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of previous chunk, if allocated | |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of chunk, in bytes |M|P|
mem-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| User data starts here... .
. .
. (malloc_usable_size() bytes) .
. |
nextchunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of chunk |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
#define MALLOC_ALIGN_MASK (MALLOC_ALIGNMENT - 1)
#define MIN_CHUNK_SIZE (sizeof(struct malloc_chunk))
#define MINSIZE /
(unsigned long)(((MIN_CHUNK_SIZE+MALLOC_ALIGN_MASK) & ~MALLOC_ALIGN_MASK))
/* pad request bytes into a usable size -- internal version */
#define request2size(req) /
(((req) + SIZE_SZ + MALLOC_ALIGN_MASK < MINSIZE) ? /
MINSIZE : /
((req) + SIZE_SZ + MALLOC_ALIGN_MASK) & ~MALLOC_ALIGN_MASK)
其中request2size這個宏就是glibc的內存對齊操作，MINSIZE就是使用malloc時占用內存的最小單位。根據宏定義可推算在32位系統中MINSIZE為16字節，在64位系統中MINSIZE 一般為32字節。從request2size還可以知道，如果是64位系統，申請內存為1~24字節時，系統內存消耗32字節，當申請內存為25字節時，系統內存消耗48字節。如果是32位系統，申請內存為1~12字節時，系統內存消耗16字節，當申請內存為13字節時，系統內存消耗24字節。
一般他們的差距是一個指針大小，計算公式是
max(MINSIZE,in_use_size)
其中in_use_size=(要求大小+2*指針大小-指針大小)align to MALLOC_ALIGNMENT
(對於上面計算的由來可以參見glibc 內存池管理 ptmalloc這篇文章的第4節chuck部分以及搜一下malloc的內部實現源碼 ）
為了證明這個理論的正確性，我們需要計算一次malloc到底花掉了多少內存，我們用如下代碼分別在32bit Linux和 64bit Linux上做測試
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
char * p1;
char * p2;
int i=1;
printf("%d\n",sizeof(char *));
for(;i<100;i++)
{
p1=NULL;
p2=NULL;
p1=(char *)malloc(i*sizeof(char));
p2=(char *)malloc(1*sizeof(char));
printf("i=%d %d\n",i,(p2-p1));
}
getchar();
}
其測試結果如下：
32bit
--------------------- Linux 32bit --------------------- 4 i=1 16 i=2 16 i=3 16 i=4 16 i=5 16 i=6 16 i=7 16 i=8 16 i=9 16 i=10 16 i=11 16 i=12 16 i=13 24 i=14 24 i=15 24 i=16 24 i=17 24 i=18 24 i=19 24 i=20 24 i=21 32 i=22 32 i=23 32 i=24 32 i=25 32 i=26 32 i=27 32 i=28 32 i=29 40 i=30 40 i=31 40 i=32 40 i=33 40 i=34 40 i=35 40 i=36 40 i=37 48 i=38 48 i=39 48 i=40 48 i=41 48 i=42 48 i=43 48 i=44 48 i=45 56 i=46 56 i=47 56 i=48 56 i=49 56 i=50 56 i=51 56 i=52 56 i=53 64 i=54 64 i=55 64 i=56 64 i=57 64 i=58 64 i=59 64 i=60 64 i=61 72 i=62 72 i=63 72 i=64 72 i=65 72 i=66 72 i=67 72 i=68 72 i=69 80 i=70 80 i=71 80 i=72 80 i=73 80 i=74 80 i=75 80 i=76 80 i=77 88 i=78 88 i=79 88 i=80 88 i=81 88 i=82 88 i=83 88 i=84 88 i=85 96 i=86 96 i=87 96 i=88 96 i=89 96 i=90 96 i=91 96 i=92 96 i=93 104 i=94 104 i=95 104 i=96 104 i=97 104 i=98 104 i=99 104
64bit
------------------- Linux 64bit ------------------- 8 i=1 32 i=2 32 i=3 32 i=4 32 i=5 32 i=6 32 i=7 32 i=8 32 i=9 32 i=10 32 i=11 32 i=12 32 i=13 32 i=14 32 i=15 32 i=16 32 i=17 32 i=18 32 i=19 32 i=20 32 i=21 32 i=22 32 i=23 32 i=24 32 i=25 48 i=26 48 i=27 48 i=28 48 i=29 48 i=30 48 i=31 48 i=32 48 i=33 48 i=34 48 i=35 48 i=36 48 i=37 48 i=38 48 i=39 48 i=40 48 i=41 64 i=42 64 i=43 64 i=44 64 i=45 64 i=46 64 i=47 64 i=48 64 i=49 64 i=50 64 i=51 64 i=52 64 i=53 64 i=54 64 i=55 64 i=56 64 i=57 80 i=58 80 i=59 80 i=60 80 i=61 80 i=62 80 i=63 80 i=64 80 i=65 80 i=66 80 i=67 80 i=68 80 i=69 80 i=70 80 i=71 80 i=72 80 i=73 96 i=74 96 i=75 96 i=76 96 i=77 96 i=78 96 i=79 96 i=80 96 i=81 96 i=82 96 i=83 96 i=84 96 i=85 96 i=86 96 i=87 96 i=88 96 i=89 112 i=90 112 i=91 112 i=92 112 i=93 112 i=94 112 i=95 112 i=96 112 i=97 112 i=98 112 i=99 112
了解了malloc的內存對其原理後，對於程序的內存占用的優化又有了有的放矢。我們可以根據內存對齊的原則來請求內存，來制作我們的高效內存池，從而避免隱形的資源浪費.
例如，目前STL的內存池是以8Byte為對齊單位，內存池free_list大小為
free_list[0] --------> 8 byte
free_list[1] --------> 16 byte
free_list[2] --------> 24 byte
free_list[3] --------> 32 byte
... ...
free_list[15] -------> 128 byte
STL內存池在發現某個規則的內存用完了時，會進行refill,在進行chunk_alloc
例如8Byte大小的空間沒有了，調用refill,refill會將其空間准備20個,也就是20*8，當然refill做不了內存分配，他把20個8Byte的需求提交給chunk_alloc
chunk_alloc 能真正分配內存，但是它分配的時候會將內存空間*2，所以最終malloc的內存為8*20*2=320 ，32bit系統給malloc的內存為328,64bit系統給malloc的內存為336
在32位和64位操作系統分別浪費掉8Byte和16Byte,其實我們可以在chunk_alloc內部簡單的計算一下系統的內存對齊，達到 chunk_alloc 級零浪費...
至於 allocate級別的浪費，我想是避免不了了，譬如，我需要一個6Byte的空間，STL內存池給我的確實8Byte
作者：cnblogs 大熊（先生）
