前言

这里整理一下堆有关的学习笔记，因为我在学习过程中经常苦于网上的讲解大多都直接放源码，让我苦于读枯燥的代码，所以我想把这些知识点用我自己的话表达出来（当然，为了严谨也会贴些源码），用以促进自己的理解，如果能帮到其他人那就更好了。

堆的初始化

首先来讲解一下堆的初始化和一些基础知识。

堆并不是程序运行时就存在的，而是在程序第一次进行堆块申请的时候（也可以先视为第一次调用malloc）才开始堆的初始化。

堆初始化时，会调用sbrk()申请一块内存，在这块内存用完前，你申请的堆块都会从这块内存中分割。随后会从这块内存中分出你malloc的堆块给你，剩下的就是top chunk。之后在你再次malloc的时候，如果没有空闲的堆块或者空闲的堆块大小不够的话，就会从top chunk的低地址割下来一块给你。因此，你获得的堆块都是物理相邻的。

堆块的数据结构

这里先贴一段源码

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/*
  This struct declaration is misleading (but accurate and necessary).
  It declares a "view" into memory allowing access to necessary
  fields at known offsets from a given base. See explanation below.
*/
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;

  /* Only used for large blocks: pointer to next larger size.  */
  struct malloc_chunk* fd_nextsize; /* double links -- used only if free. */
  struct malloc_chunk* bk_nextsize;
};

好的看不懂没关系，我会详细解释的。
首先，堆块必须按2倍机器字长对齐，也就是说32位程序必须8字节对齐，64位必须16字节对齐。

0x0

每个堆块0x0的位置（占8个字节）是堆块的prev_size字段，如果与该堆块物理相邻的前一个堆块处于空闲状态，那这个地方用于存前一个堆块的大小，若前一个堆块处于使用中则这个地方用处不大，什么都不存。

0x8

在0x8的位置（占8个字节）是堆块的size字段，存放该堆块的大小，不过由于堆块都是16字节对齐的，也就是说，都是0x10的倍数，诶你会发现最后一个数永远是0，没有实际意义，所以，这一位数被额外地利用了起来，用来表示该堆块是否在使用中（依旧是inuse位），使用中就是1，空闲就是0（被free了的堆块就是空闲的堆块）。

由于每个堆块（chunk），都必须得有这两个共占16字节的字段，再加上chunk要求16字节对齐，所以chunk最小为32字节，哪怕你malloc申请的数字小于这个值，返回的chunk仍然会是32字节的（这里要注意，malloc函数的参数实际上是指一个堆块去除开头这16字节后的大小，也就是实际可以用的内存大小）。

0x10

从0x10这里开始，就是可正常使用的内存了，实际上malloc返回的指针就是指向这里。

不过这里要注意，很多初学者都会把指向堆块的指针和堆块搞混，需要弄明白的是，堆块并不会因为指向他的指针的改变而改变。

但是如果堆块被free了，处于空闲状态的话，就会根据堆块大小放进不同的bin中，而bin都是用链表来串联管理堆块的，所以0x10和0x18这两个位置就会放两个堆指针，fd和bk，分别指向bin链表中，该堆块的前一个和后一个堆块（注意不是物理相邻的前后）。

所以堆块说白了就是个内存块，你无论做什么操作，祂的地址都不会变，祂就在那里，无论是什么空闲状态还是使用状态，在哪个bin中本质上都是在堆块中写数据达成的，只不过有的数据仅仅只起到标识作用（inuse位），有的还有其他功能。

0x20

而最后，0x20这里，在绝大多数情况下都只是用来存数据，只有这个堆块被放进largebin时，这里会放两个指针fd_nextsize和bk_nextsize，这两个指针也是用来串联链表的，具体的功能我放在后面详细讲largebin的时候再细说。

后记

这里放张示意图来辅助理解。

图片
这篇都是简单的知识点，本来还想再多写点，结果发现不管再写什么，想写清楚都少不了一番功夫，所以索性这篇就只写这么短了。