malloc

实际上，malloc并不是系统调用，而是C库里的函数，用于动态分配内存。malloc申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

**方式一：**通过==brk()系统调用==从堆分配内存

实现的方式很简单，就是通过brk()函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：
**方式二：**通过==mmap()系统调用==在文件映射区域分配内存

malloc()源码里默认定义了一个阈值：

如果用户分配的内存小于128KB,则通过brk()申请内存；
如果用户分配的内存大于128KB,则通过mmap()申请内存；

特点：

当malloc通过brk系统调用申请内存时，释放该内存后，操作系统不会立即回收这部分空间；相反，它会被保留在malloc管理的内存池中，供后续分配请求直接复用，从而减少系统调用开销。
当malloc通过mmap系统调用申请内存时，释放该内存后，系统会立即将其归还给操作系统，实现物理内存的即时释放，避免资源长期占用。

malloc()分配虚拟内存

malloc()分配的是虚拟内存。如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发==缺页中断==，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

brk()

brk 是 类 UNIX 操作系统（如 Linux、BSD 等）提供的系统调用，用于 进程地址空间的堆内存管理。堆（Heap）位于数据段（.data） 之后、栈（Stack） 之前，向上（高地址）生长。brk 通过调整 堆的顶部边界（break 指针） 来控制堆的大小。

brk的作用

核心是 修改进程堆的顶部地址（break 值），实现堆内存的 扩展或收缩：
- 扩展堆：若新的 break 值比当前大，内核会将堆向高地址扩展，分配新的内存区域（进程可直接使用，无需额外映射）。
- 收缩堆：若新的 break 值比当前小，尝试回收堆的高地址部分内存（实际中因内存分配器的管理逻辑，收缩可能受限，比如已分配的内存块未释放时无法回收）。
brk对应的映射类型
- 匿名映射：内存无对应的文件作为 “后盾”（即不关联磁盘文件）。brk 管理的堆内存 没有文件支持，属于 匿名映射。
- 私有映射：对内存的修改仅作用于当前进程（不会同步到其他进程或文件）。brk 的堆是 进程私有 的（每个进程的堆独立，修改不影响其他进程），因此属于 私有映射。

运行流程

我们需要分析brk系统调用，我们要从源码中进行分析：

mmap.c文件中：sys_brk 函数（处理 brk 请求），负责接收用户空间的 brk 请求，初步校验后调用 do_brk：

static int do_brk_flags(unsigned long addr, unsigned long request, unsigned long flags,
		struct list_head *uf);
SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk) {
    struct mm_struct *mm = current->mm;  // 当前进程的内存描述符
    unsigned long old_brk = mm->brk;     // 旧堆顶地址

    // ---------- 关键判断 1：堆顶不能小于起始地址 ----------
    if (new_brk < mm->start_brk) {  
        return -EINVAL;  // 非法：堆不能收缩到起始地址之前
    }
	// ----------  堆收缩处理 ----------
   	if (brk <= mm->brk) {  // 请求收缩堆
    mm->brk = brk;  // 立即更新堆顶指针
    if (do_vmi_align_munmap(..., newbrk, oldbrk, ...))
        goto out;  // 释放物理内存并解除映射
	}
	// ----------  堆扩展处理 ----------
    // 检查新堆顶是否与栈或其他 VMA 冲突
	next = vma_find(&vmi, newbrk + PAGE_SIZE + stack_guard_gap);
	if (next && newbrk + PAGE_SIZE > vm_start_gap(next))
    	goto out;  // 与现有 VMA 冲突或过于接近栈

	// 创建新的 VMA 区域
	if (do_brk_flags(&vmi, brkvma, oldbrk, newbrk - oldbrk, 0) < 0)
   		goto out;
    
    // ---------- 调用 do_brk 处理实际调整 ----------
    unsigned long ret = do_brk(new_brk);  
    if (ret < 0) {
        return ret;  // 调整失败（如地址冲突、内存不足）
    }

    mm->brk = ret;  // 更新堆顶地址
    return ret;
}

堆边界定义

struct mm_struct 中的 start_brk（堆起始）和 brk（当前堆顶）