malloc/free是由libc提供的库例程还是系统调用(syscall)？

Question

如果在libc中以库例程的形式实现malloc/free函数，那么它是基于sbrk系统调用还是mmap系统调用，还是其他什么方式实现的？

并且一般来说，sys/syscall.h中声明的函数是否包含目标机器上所有的系统调用？

- Pwn

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如果你有libc的源代码就好了... - bk1e

Answer 1

很多时候，malloc和free使用较低级别的虚拟内存分配服务，并一次性分配几个页面（甚至数兆字节），使用类似mmap和munmap（以及可能的sbrk）的系统调用。通常情况下，malloc更喜欢在相关时重复使用先前free的内存空间。大多数malloc实现使用不同的策略来处理“大”和“小”的分配等等...

注意虚拟地址空间可能会受到限制，例如使用setrlimit(2)。在Linux上，可以使用pmap(1)和proc(5)来了解某些进程的虚拟地址空间（例如/proc/self/maps用于您自己的进程或/proc/1234/maps - 也可以使用pmap 1234命令 - 用于pid为1234的进程）。

您可以查看GNU libc源代码，查看其他C标准库的源代码（如musl-libc），阅读有关malloc实现的文章，选择一些其他的实现或者自己实现，并使用strace进行实验。

阅读syscalls man page（即syscalls(2)）和文件<asm/unistd.h>以获取系统调用列表。

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一个非常快的malloc

^{（我相信这可能是最快的malloc实现；但它并不是非常有用；它符合标准，例如n1570或更好）}

我坚信C标准对于malloc和free非常模糊。我非常确定以下函数遵守标准的字面意思（但不是精神意义）：

 /* politically incorrect, but very probably standard conforming */
 void *malloc (size_t sz) { if (sz>0) errno = ENOMEM; return NULL; }
 void free(void*ptr) { }

当然，你需要相应地编写calloc和realloc的代码。

^{顺便提一下，每个使用malloc的代码都应该针对其失败进行测试，但有些人-不正确地-没有这样做；malloc在失败时可能返回NULL，人们应该针对这种情况进行测试。}

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GNU libc提供了钩子以供您自己的malloc函数使用（您甚至可以透明地通过它们使用Boehm's Garbage Collector）。这些钩子可能会被弃用并且不是标准的。

如果使用GNU libc，请还要查看mallinfo(3)和malloc_stat(3)及相关函数。

- Basile Starynkevitch

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实际上，malloc 和 free 可以更简单，类似于 #define malloc(x) NULL 和 #define free(x) (void)1 :-) ISO 标准不要求设置 errno，这是 POSIX 的一件事。您可能还想拦截 calloc 和 realloc。 - paxdiablo

你确定 malloc 可以只是一个宏吗？我认为它应该是一个函数（可分配给函数指针）。 - Basile Starynkevitch

好观点，我认为你是对的，我没有想到那个。你仍然可以放弃errno设置。 - paxdiablo

Answer 2

malloc和free是标准C库函数，每个C实现都需要实现它们。

C标准只定义了这些函数的行为和预期行为，如何实现它们则由每个实现自行决定。

简而言之，它们是您使用的实现的实现细节。

（一个“实现”包括编译器、链接器、运行时库以及可能还有其他一些东西。）

- Alok Save

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由平台的 C 库实现，而非编译器。 - u0b34a0f6ae

@kaizer.se：编译器可以自由地拥有自己的标准库（嘿！），但通常没有太大意义。 - dmckee --- ex-moderator kitten

@kaizer.se：这取决于编译器，编译器可以使用平台提供的标准库实现，也可以提供自己的相同实现。选择哪一个取决于编译器。这就是“实现细节”的含义。 - Alok Save

通常情况下，malloc和free被实现为库函数，调用底层代码。如果操作系统提供的系统调用恰好符合C标准对malloc和free的要求，则它们可以作为系统调用实现。但是我不知道任何一个这样做的操作系统（即使是C语言的发源地Unix）。 - Keith Thompson

Answer 3

如果您使用不同的内存分配器，还可以使用替代实现来替换malloc和free。例如，hoard内存分配器有时用于提高多线程应用程序的性能。

- Gabriel Southern