问题：
我们在写程序的时候经常发现程序使用的内存往往比我们申请的多，为了优化程序的内存占用，搅尽脑汁想要优化内存占用，可是发现自己的代码也无从优化了，怎么办？现在我们把我们的焦点放到malloc上，毕竟我们向系统申请的内存都是通过它完成了，不了解他，也就不能彻底的优化内存占用。
来个小例子
//g++ -o malloc_addr_vec mallc_addr_vec.cpp 编译
#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) {}//此时查看内存占用
return 0;
}
本文的测试环境为Linux 64Bit ,使用G++编译为可执行文件后，使用不同的启动参数启动，使用top命令查看程序占用的内存，这里我们主要是看RES指标
RES -- Resident size (kb)
The non-swapped physical memory a task has used.
测试案例：
1.每次new 1 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 1
启动程序后的内存占用
内存消耗 32MB
2.每次new 24 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 24
启动程序后的内存占用
内存消耗32MB
3.每次new 25 Byte Do 1024*1024次
./malloc_addr_vec 25
启动程序后的内存占用
内存消耗48MB
为什么我们每次new 1Byte 和每次 new 24Byte系统消耗的内存一样呢？，为什么每次new 25Byte和 每次new 24Byte占用的内存完全不同呢？
不知道大家在写程序的时候有没有关注过这个问题。我一次遇到时，吐槽一句：What the fuck malloc.
原因分析：
在大多数情况下，编译器和C库透明地帮你处理对齐问题。POSIX 标明了通过malloc( ), calloc( ), 和 realloc( ) 返回的地址对于任何的C类型来说都是对齐的。
对齐参数（MALLOC_ALIGNMENT） 大小的设定并需满足两个特性
1.必须是2的幂
2.必须是(void *)的整数倍
至于为什么会要求是(void *)的整数倍，这个目前我还不太清楚，等你来发现...
根据这个原理，在32位和64位的对齐单位分别为8字节和16字节
但是这并解释不了上面的测试结果，这是因为系统malloc分配的最小单位（MINSIZE）并不是对齐单位
为了进一步了解细节，从GNU网站中把glibc源码下载下来，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这个宏就是glibc的内存对齐操作，MINSIZE就是使用malloc时占用内存的最小单位。根据宏定义可推算在32位系统中MINSIZE为16字节，在64位系统中MINSIZE 一般为32字节。从request2size还可以知道，如果是64位系统，申请内存为1~24字节时，系统内存消耗32字节，当申请内存为25字节时，系统内存消耗48字节。如果是32位系统，申请内存为1~12字节时，系统内存消耗16字节，当申请内存为13字节时，系统内存消耗24字节。
一般他们的差距是一个指针大小，计算公式是
max(MINSIZE,in_use_size)
其中in_use_size=(要求大小+2*指针大小-指针大小)align to MALLOC_ALIGNMENT
(对于上面计算的由来可以参见glibc 内存池管理 ptmalloc这篇文章的第4节chuck部分以及搜一下malloc的内部实现源码 ）
更多精彩内容：http://www.bianceng.cn/Programming/cplus/
为了证明这个理论的正确性，我们需要计算一次malloc到底花掉了多少内存，我们用如下代码分别在32bit Linux和 64bit Linux上做测试
#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();
}
其测试结果如下：
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的内存对其原理后，对于程序的内存占用的优化又有了有的放矢。我们可以根据内存对齐的原则来请求内存，来制作我们的高效内存池，从而避免隐形的资源浪费.
例如，目前STL的内存池是以8Byte为对齐单位，内存池free_list大小为
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内存池在发现某个规则的内存用完了时，会进行refill,在进行chunk_alloc
例如8Byte大小的空间没有了，调用refill,refill会将其空间准备20个,也就是20*8，当然refill做不了内存分配，他把20个8Byte的需求提交给chunk_alloc
chunk_alloc 能真正分配内存，但是它分配的时候会将内存空间*2，所以最终malloc的内存为8*20*2=320 ，32bit系统给malloc的内存为328,64bit系统给malloc的内存为336
在32位和64位操作系统分别浪费掉8Byte和16Byte,其实我们可以在chunk_alloc内部简单的计算一下系统的内存对齐，达到 chunk_alloc 级零浪费...
至于 allocate级别的浪费，我想是避免不了了，譬如，我需要一个6Byte的空间，STL内存池给我的确实8Byte
作者：cnblogs 大熊（先生）
