打造高效内存管理：C语言自定义内存分配器（从零实现简易malloc与free）

为什么需要自定义内存分配器？

• 避免系统调用开销（如 sbrk 或 mmap）
• 减少内存碎片
• 实现特定策略（如固定大小块分配、线程本地池等）
• 调试内存泄漏或越界访问

基本思路：内存池 + 空闲链表

我们将实现一个最简版本的内存分配器，它预先申请一大块内存（称为“内存池”），然后在这块内存上模拟 malloc 和 free 的行为。

关键数据结构：每个内存块头部包含元信息（是否空闲、大小、指向下一个块的指针）。

代码实现

下面是一个可运行的简易自定义malloc实现：

// my_malloc.h#ifndef MY_MALLOC_H#define MY_MALLOC_H#include <stddef.h>void* my_malloc(size_t size);void my_free(void* ptr);#endif

// my_malloc.c#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>  // for sbrk#include "my_malloc.h"#define ALIGNMENT 8#define ALIGN(size) (((size) + (ALIGNMENT - 1)) & ~(ALIGNMENT - 1))/* 内存块头 */typedef struct block_header {    size_t size;                    // 包含头部的总大小    int free;                       // 是否空闲    struct block_header* next;      // 指向下一个块} block_header_t;static block_header_t* head = NULL; // 链表头/* 请求操作系统分配新内存 */static void* request_space(block_header_t* last, size_t size) {    block_header_t* block;    block = (block_header_t*) sbrk(0);    void* request = sbrk(ALIGN(sizeof(block_header_t)) + ALIGN(size));        if (request == (void*) -1) {        return NULL; // sbrk 失败    }        block = (block_header_t*) block;    block->size = size + ALIGN(sizeof(block_header_t));    block->next = NULL;    block->free = 0;        if (last) {        last->next = block;    }        return (void*)(block + 1);}void* my_malloc(size_t size) {    if (size == 0) return NULL;        size = ALIGN(size); // 对齐        block_header_t* current = head;        // 遍历空闲块，寻找合适位置    while (current) {        if (current->free && current->size >= size + ALIGN(sizeof(block_header_t))) {            current->free = 0;            return (void*)(current + 1);        }        current = current->next;    }        // 没有找到，向系统申请新内存    if (!head) {        return request_space(NULL, size);    } else {        return request_space(current, size);    }}void my_free(void* ptr) {    if (!ptr) return;        block_header_t* block = (block_header_t*)ptr - 1;    block->free = 1;        // 简单实现：不合并相邻空闲块（进阶可优化）}

如何使用？

#include "my_malloc.h"int main() {    int* arr = (int*)my_malloc(sizeof(int) * 10);    if (arr) {        for (int i = 0; i < 10; i++) {            arr[i] = i * i;        }        my_free(arr);    }    return 0;}

注意事项与进阶方向

上述实现是教学性质的，实际生产级的手动内存分配器需考虑：

• 内存对齐：确保返回的指针对齐到平台要求（如8字节）
• 空闲块合并：释放时合并相邻空闲块，减少碎片
• 多线程安全：加锁或使用无锁结构
• 不同大小策略：小对象用固定大小桶（slab allocator），大对象直接 mmap

总结

通过本教程，你已经掌握了 C语言自定义内存分配器 的基本构建方法。虽然标准库的 malloc 已经非常成熟，但理解其底层原理能让你在面对性能瓶颈或特殊需求时游刃有余。无论是为了面试准备、嵌入式开发，还是纯粹的技术探索，这都是一项值得掌握的核心技能。

记住：**不要重复造轮子，除非你清楚为什么要造**。但在学习阶段，亲手实现一次内存分配器，绝对是提升 C 语言功力的绝佳方式！