（摘抄自https://blog.csdn.net/wz1226864411/article/details/77934941）
虚拟内存空间：
虚拟内存空间是操作系统实现内存管理的一种机制。操作系统为每个进程维护一个虚拟内存空间。操作系统会将虚拟内存和实际的物理内存进行映射，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容是由操作系统管理。虚拟内存使得用户感觉内存空间时连续的，同时给进程提供独占内存的假象。
下图中，我们可以看到虚拟内存空间的顶部是内核管理的内存空间，下面则是用户的内存空间，用户空间无权访问内核的内存空间。这些黑色区域是还未映射的内存。
在已经映射的内存空间结尾有一个break指针，如下图，这个指针上面是映射好的内存，可以访问，下面则是未映射的访问，不能访问。可以通过系统调用sbrk(位移量)或brk(void *addr)来设置break指针的位置。
在操作系统角度来看，分配内存有两种方式，一种是采用推进brk指针来增加堆的有效区域来申请内存空间，还有一种是采用mmap系统调用，在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存。这两种方式都是分配虚拟内存，只有当第一次访问虚拟地址空间时，操作系统给分配物理内存空间。
malloc是采用brk的方式来动态分配内存。
空间内配的实现问题：
其中一种是隐式链表，实际上是数组，malloc分配空间必然有一个数据结构，允许它来区分边界，数据结构中包含一个头部信息和有效载荷，有效载荷的首地址就是malloc返回的地址，为了保持内存对齐可能在尾部还有填充。头部相当于该数据结构的元数据，其中包含了块大小和是否是空闲空间的信息，这样可以根据头地址和块大小的地址推出下一个内存块的地址，这就是隐式链表。
malloc基本的实现原理就是维护一个内存空闲链表，当申请内存空间时，搜索内存空闲链表，找到适配的空闲内存空间，然后将空间分割成两个内存块，一个变成分配块，一个变成新的空闲块。如果没有搜索到，那么就会用sbrk()才推进brk指针来申请内存空间。
搜索空闲块最常见的算法有：首次适配，下一次适配，最佳适配。
首次适配：第一次找到足够大的内存块就分配，这种方法会产生很多的内存碎片。
下一次适配：也就是说等第二次找到足够大的内存块就分配，这样会产生比较少的内存碎片。
最佳适配：对堆进行彻底的搜索，从头开始，遍历所有块，使用数据区大小大于size且差值最小的块作为此次分配的块。
在释放内存块后，如果不进行合并，那么相邻的空闲内存块还是相当于两个内存块，会形成一种假碎片。所以当释放内存后，我们需要将两个相邻的内存块进行合并。
还有一种实现方式则是采用显示空闲链表，这个是真正的链表形式。在之前的有效载荷中加入了之前前驱和后驱的指针，也可以称为双向链表。维护空闲链表的的方式第一种是用后进先出（LIFO），将新释放的块放置在链表的开始处。另一种方法是按照地址的顺序来维护。
原文：https://www.cnblogs.com/HansanF/p/14326154.html
