linux malloc内存数据结构分析
在linux用户态程序中，我们经常调用malloc接口根据自身需要灵活分配内存。但是我们是否了解malloc所分配的内存相关数据结构在内存中的具体分布呢？下面我们以实际程序实例介绍malloc分配的内存数据结构。
malloc分配内存数据结构
malloc分配的内存为一个个chunk，每个chunk有一个头部，对应的数据结构为malloc_chunk，具体如下：
malloc_chunk结构体中各个变量含义如下：
- prev_size：当前一个chunk为free（空闲可用）时，prevent_size表示前一个空闲chunk大小；当前一个chunk已经使用时，prev_size借用给前一个chunk保存数据以提高内存使用率。
- size：当前chunk大小，包括malloc_chunk头结构。size数据的低三个bit有特殊用途，作用分别如下：
- bit0-PREV_INUSE，若前一个chunk在使用时，该位置1
- bit1-IS_MAPPED，当该chunk是通过mmap获得的时候（即大内存），该位置1
- bit2-NON_MAIN_AREA，当该chunk为Thread area时，该位置1
当需要获取当前chunk大小时，直接屏蔽size的低三位（置为0）即可得chunk大小。
- fd：forward pointer，指向同一个bin中下一个free chunk。
- bk：backward pointer，指向同一个bin中前一个free chunk。
注意，
1. fd和bk字段只有在当前chunk为free chunk时才使用。若当前chunk已经使用，则不存在fd和bk字段，也即从fd开始即存放用户数据。
2. 系统为了保证内存对齐，实际分配的内存可能大于请求内存大小。
malloc分配的内存数据结构分布如下：（Unused Space即可用于保存用户数据）
我们在调用malloc进行动态内存分配时返回的地址即为Unused Space的起始地址，该地址前面还有该分配内存的chunk头部，即malloc_chunk数据结构（注意实际使用时，Used chunk和free chunk对应的chunk头部结构malloc_chunk差异）。
malloc分配内存实例分析
1. 编写一个简单的内存分配main函数，并编译成可执行文件。
main函数中连续利用malloc分配了3次内存，分别为10、30、20字节，并分别进行对应的初始化。
2. 利用gdb对上述程序进行跟踪调试。
从打印看，三次分配的内存返回地址为0x555555756670、0x555555756690、0x555555756c0。
3. 利用x命令查看malloc分配内存地址附近数据情况。
3.1 内存16进制格式显示
malloc_chunk数据结构的成员prev_size和size均为INTERNAL_SIZE_T类型，其对应unsigned int。本可执行程序test为arm linux 64位，则prev_size和size均占用8个字节。
以pcBuf1为例，malloc_chunk各个成员对应如下：（目标程序为小端模式）
prev_size---保存在地址0x555555756660-0x555555756667，大小为0
size---保存在地址0x555555756668-0x55555575666f，大小为0x21，具体各个flag为：
- PREV_INUSE = 1：前一个chunk正在使用
- IS_MAPPED = 0：本chunk不是mapped获取的，是小内存，通过sbrk获取
- NON_MAIN_AREA = 0：本chunk是main area，即属于主进程的area
- chunk本身大小：0x21 & 0xf8 = 0x20，即chunk大小为32个字节。除去chunk头部的prev_size、size的16个字节，分配的用户数据空间大小为16个字节，这比用户请求的10个字节要大，其是为了内存对齐。本身chunk头部16 + 10 = 26，默认按8字节对齐，则自动补齐到32个字节。
通过上面分析可知，最终分配的用户数据空间为0x555555756670-0x55555575667f。
pcBuf2、pcBuf3的内存数据结构分布分析类似，具体见上图红线标注。
3.2 内存字符格式显示
从上图可知，pcBuf1、pcBuf2、pcBuf3实际填充的字符串和预期一致。
3.3 内存字符串格式显示
pcBuf1显示“Memory.”：
pcBuf2显示"Welcome to BeiJing."：
pcBuf3显示"Hello, ShangHai."：(此时填充了16个字节，若不是因为内存对齐多分配了6个字节。否则会导致内存越界。即使这样，依然丢掉了字符串的结束符，这其实是比较危险的，实际应用中应避免)
从字符串角度发现，pcBuf1、pcBuf2、pcBuf3填充的字符串也符合预期。
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