先来看一下malloc_chunk的结构
/*
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;
};一般来说，size_t 在 64 位中是 64 位无符号整数，32 位中是 32 位无符号整数。
每个字段的具体的解释如下
-
prev_size, 如果该 chunk 的物理相邻的前一地址 chunk（两个指针的地址差值为前一 chunk 大小）是空闲的话，那该字段记录的是前一个 chunk 的大小 (包括 chunk 头)。否则，该字段可以用来存储物理相邻的前一个 chunk 的数据。这里的前一 chunk 指的是较低地址的 chunk 。 size，该 chunk 的大小，大小必须是 2 * SIZE_SZ 的整数倍。如果申请的内存大小不是 2 * SIZE_SZ 的整数倍，会被转换满足大小的最小的 2 * SIZE_SZ 的倍数。32 位系统中，SIZE_SZ 是 4；64 位系统中，SIZE_SZ 是 8。 该字段的低三个比特位对 chunk 的大小没有影响，它们从高到低分别表示
-
NON_MAIN_ARENA，记录当前 chunk 是否不属于主线程，1 表示不属于，0 表示属于。 -
IS_MAPPED，记录当前 chunk 是否是由 mmap 分配的。 -
PREV_INUSE，记录前一个 chunk 块是否被分配。一般来说，堆中第一个被分配的内存块的 size 字段的 P 位都会被设置为 1，以便于防止访问前面的非法内存。当一个 chunk 的 size 的 P 位为 0 时，我们能通过 prev_size 字段来获取上一个 chunk 的大小以及地址。这也方便进行空闲 chunk 之间的合并。
fd，bk。 chunk 处于分配状态时，从 fd 字段开始是用户的数据。chunk 空闲时，会被添加到对应的空闲管理链表中，其字段的含义如下
-
fd指向下一个（非物理相邻）空闲的 chunk -
bk指向上一个（非物理相邻）空闲的 chunk - 通过 fd 和 bk 可以将空闲的 chunk 块加入到空闲的 chunk 块链表进行统一管理
fd_nextsize，bk_nextsize，也是只有 chunk 空闲的时候才使用，不过其用于较大的 chunk（large chunk）。
- fd_nextsize 指向前一个与当前 chunk 大小不同的第一个空闲块，不包含 bin 的头指针。
- bk_nextsize 指向后一个与当前 chunk 大小不同的第一个空闲块，不包含 bin 的头指针。
一般空闲的 large chunk 在 fd 的遍历顺序中，按照由大到小的顺序排列。这样做可以避免在寻找合适 chunk 时挨个遍历。
一个已经分配的 chunk 的样子如下。我们称前两个字段称为 chunk header，后面的部分称为 user data。每次 malloc 申请得到的内存指针，其实指向 user data 的起始处。
当一个 chunk 处于使用状态时，它的下一个 chunk 的 prev_size 域无效，所以下一个 chunk 的该部分也可以被当前 chunk 使用。这就是 chunk 中的空间复用。
chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of previous chunk, if unallocated (P clear) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of chunk, in bytes |A|M|P|
mem-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| User data starts here... .
. .
. (malloc_usable_size() bytes) .
next . |
chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| (size of chunk, but used for application data) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of next chunk, in bytes |A|0|1|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+被释放的 chunk 被记录在链表中（可能是循环双向链表，也可能是单向链表）。具体结构如下
chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of previous chunk, if unallocated (P clear) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
`head:' | Size of chunk, in bytes |A|0|P|
mem-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Forward pointer to next chunk in list |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Back pointer to previous chunk in list |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Unused space (may be 0 bytes long) .
. .
next . |
chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
`foot:' | Size of chunk, in bytes |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Size of next chunk, in bytes |A|0|0|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+一般情况下，物理相邻的两个空闲 chunk 会被合并为一个 chunk 。堆管理器会通过 prev_size 字段以及 size 字段合并两个物理相邻的空闲 chunk 块。
chunk 相关宏
chunk 与 mem 指针头部的转换
- mem 指向用户得到的内存的起始位置。
这个宏我们看名字就大概猜出来是干嘛的，是用来计算指向用户区域的指针。因为在chunk结构体中prev_size和size都是SIZE_SZ类型的变量所以乘以2，p是一个指向chunk的结构体指针，将p指针强制类型转换成char*类型指针然后加上2个SIZE_SZ字节最后在强制类型转换成void*。此时就指向了用户申请的空间地址的起始位置。也就是我们Malloc函数后接收的返回值。为什么是void*呢最后，我想是因为我们用户在申请malloc函数的时候，设计者并不知道我们想要的指针类型，直接设计成void*反正用户拿到也会进行强转对吧
/* conversion from malloc headers to user pointers, and back */
#define chunk2mem(p) ((void *) ((char *) (p) + 2 * SIZE_SZ))
#define mem2chunk(mem) ((mchunkptr)((char *) (mem) -2 * SIZE_SZ))- 最小的 chunk 大小
/* The smallest possible chunk */
#define MIN_CHUNK_SIZE (offsetof(struct malloc_chunk, fd_nextsize))这里，offsetof 函数计算出 fd_nextsize 在 malloc_chunk 中的偏移，说明最小的 chunk 至少要包含 bk 指针。
最小申请的堆内存大小
用户最小申请的内存大小必须是 2 * SIZE_SZ 的最小整数倍。
注：就目前而看 MIN_CHUNK_SIZE 和 MINSIZE 大小是一致的，个人认为之所以要添加两个宏是为了方便以后修改 malloc_chunk 时方便一些。
这个宏挺复杂的作用就是用来对齐，官方解释：The smallest size we can malloc is an aligned minimal chunk。我们可以使用 malloc 分配的最小大小是对齐的最小块。"aligned minimal chunk" 指的是对齐的最小内存块。在内存分配中，为了满足对齐要求，分配的内存块大小通常需要是对齐值的倍数。对齐值是根据系统架构和数据类型而定的，例如 4 字节对齐或 8 字节对齐。 所以，"the smallest size we can malloc is an aligned minimal chunk" 可以理解为我们可以使用 malloc 分配的最小内存大小是对齐的最小块大小。也就是说，malloc 分配的内存大小会被向上调整为满足对齐要求的最小值，以保证所分配的内存是对齐的。对齐的很大作用是用来提升访问效率的。
/* The smallest size we can malloc is an aligned minimal chunk */
//MALLOC_ALIGN_MASK = 2 * SIZE_SZ -1
#define MINSIZE \
(unsigned long) (((MIN_CHUNK_SIZE + MALLOC_ALIGN_MASK) & \
~MALLOC_ALIGN_MASK))检查分配给用户的内存是否对齐
2 * SIZE_SZ 大小对齐。
这段代码定义了一个宏 aligned_OK(m)，用于检查指针 m 是否按照内存块对齐要求对齐。 宏的定义中，(unsigned long)(m) 将指针 m 转换为无符号长整型，以进行位操作。MALLOC_ALIGN_MASK 是一个掩码，用于对齐内存块的大小。 接下来，宏内部使用了位与操作符 & 将指针的值与 MALLOC_ALIGN_MASK 进行按位与运算。如果按位与的结果为0，表示指针 m 符合对齐要求，即按照 MALLOC_ALIGN_MASK 的掩码进行对齐。 所以，这段代码的作用是判断指针 m 是否按照内存块对齐要求对齐。如果按照要求对齐，条件成立，返回真；否则，条件不成立，返回假。
/* Check if m has acceptable alignment */
// MALLOC_ALIGN_MASK = 2 * SIZE_SZ -1
#define aligned_OK(m) (((unsigned long) (m) & MALLOC_ALIGN_MASK) == 0)
#define misaligned_chunk(p) \
((uintptr_t)(MALLOC_ALIGNMENT == 2 * SIZE_SZ ? (p) : chunk2mem(p)) & \
MALLOC_ALIGN_MASK)这段代码定义了一个宏 misaligned_chunk(p)，用于检查指针 p 是否指向未按照内存块对齐要求对齐的内存块。 宏的定义中，(uintptr_t) 将指针 p 转换为无符号整型，以进行位操作。MALLOC_ALIGNMENT 是一个常量，表示内存块的对齐要求。SIZE_SZ 是一个常量，表示内存块大小信息所占的字节数。chunk2mem(p) 是一个函数或宏，用于将内存块指针 p 转换为内存块的数据指针。 接下来，宏内部使用了条件表达式 (... ? ... : ...) 来选择合适的操作。如果 MALLOC_ALIGNMENT 等于 2 * SIZE_SZ，则条件成立，执行 (p)；否则，条件不成立，执行 chunk2mem(p)。 最后，将选择的结果与 MALLOC_ALIGN_MASK 进行按位与运算。MALLOC_ALIGN_MASK 是一个掩码，用于对齐内存块的大小。 所以，这段代码的作用是判断指针 p 所指向的内存块是否未按照内存块对齐要求对齐。如果内存块未对齐，条件成立，返回真；否则，条件不成立，返回假。
请求字节数判断
/*
Check if a request is so large that it would wrap around zero when
padded and aligned. To simplify some other code, the bound is made
low enough so that adding MINSIZE will also not wrap around zero.
*/
#define REQUEST_OUT_OF_RANGE(req) \
((unsigned long) (req) >= (unsigned long) (INTERNAL_SIZE_T)(-2 * MINSIZE))将用户请求内存大小转为实际分配内存大小
/* pad request bytes into a usable size -- internal version */
//MALLOC_ALIGN_MASK = 2 * SIZE_SZ -1
#define request2size(req) \
(((req) + SIZE_SZ + MALLOC_ALIGN_MASK < MINSIZE) \
? MINSIZE \
: ((req) + SIZE_SZ + MALLOC_ALIGN_MASK) & ~MALLOC_ALIGN_MASK)
/* Same, except also perform argument check */
#define checked_request2size(req, sz) \
if (REQUEST_OUT_OF_RANGE(req)) { \
__set_errno(ENOMEM); \
return 0; \
} \
(sz) = request2size(req);当一个 chunk 处于已分配状态时，它的物理相邻的下一个 chunk 的 prev_size 字段必然是无效的，故而这个字段就可以被当前这个 chunk 使用。这就是 ptmalloc 中 chunk 间的复用。具体流程如下
- 首先，利用 REQUEST_OUT_OF_RANGE 判断是否可以分配用户请求的字节大小的 chunk。
- 其次，需要注意的是用户请求的字节是用来存储数据的，即 chunk header 后面的部分。与此同时，由于 chunk 间复用，所以可以使用下一个 chunk 的 prev_size 字段。因此，这里只需要再添加 SIZE_SZ 大小即可以完全存储内容。
- 由于系统中所允许的申请的 chunk 最小是 MINSIZE，所以与其进行比较。如果不满足最低要求，那么就需要直接分配 MINSIZE 字节。
- 如果大于的话，因为系统中申请的 chunk 需要 2 * SIZE_SZ 对齐，所以这里需要加上 MALLOC_ALIGN_MASK 以便于对齐。
个人认为，这里在 request2size 的宏的第一行中没有必要加上 MALLOC_ALIGN_MASK。
需要注意的是，通过这样的计算公式得到的 size 最终一定是满足用户需要的。
标记位相关
/* size field is or'ed with PREV_INUSE when previous adjacent chunk in use */
#define PREV_INUSE 0x1
/* extract inuse bit of previous chunk */
#define prev_inuse(p) ((p)->mchunk_size & PREV_INUSE)
/* size field is or'ed with IS_MMAPPED if the chunk was obtained with mmap() */
#define IS_MMAPPED 0x2
/* check for mmap()'ed chunk */
#define chunk_is_mmapped(p) ((p)->mchunk_size & IS_MMAPPED)
/* size field is or'ed with NON_MAIN_ARENA if the chunk was obtained
from a non-main arena. This is only set immediately before handing
the chunk to the user, if necessary. */
#define NON_MAIN_ARENA 0x4
/* Check for chunk from main arena. */
#define chunk_main_arena(p) (((p)->mchunk_size & NON_MAIN_ARENA) == 0)
/* Mark a chunk as not being on the main arena. */
#define set_non_main_arena(p) ((p)->mchunk_size |= NON_MAIN_ARENA)
/*
Bits to mask off when extracting size
Note: IS_MMAPPED is intentionally not masked off from size field in
macros for which mmapped chunks should never be seen. This should
cause helpful core dumps to occur if it is tried by accident by
people extending or adapting this malloc.
*/
#define SIZE_BITS (PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)获取 chunk size
/* Get size, ignoring use bits */
#define chunksize(p) (chunksize_nomask(p) & ~(SIZE_BITS))
/* Like chunksize, but do not mask SIZE_BITS. */
#define chunksize_nomask(p) ((p)->mchunk_size)获取下一个物理相邻的 chunk
/* Ptr to next physical malloc_chunk. */
#define next_chunk(p) ((mchunkptr)(((char *) (p)) + chunksize(p)))获取前一个 chunk 的信息
/* Size of the chunk below P. Only valid if !prev_inuse (P). */
#define prev_size(p) ((p)->mchunk_prev_size)
/* Set the size of the chunk below P. Only valid if !prev_inuse (P). */
#define set_prev_size(p, sz) ((p)->mchunk_prev_size = (sz))
/* Ptr to previous physical malloc_chunk. Only valid if !prev_inuse (P). */
#define prev_chunk(p) ((mchunkptr)(((char *) (p)) - prev_size(p)))当前 chunk 使用状态相关操作
/* extract p's inuse bit */
#define inuse(p) \
((((mchunkptr)(((char *) (p)) + chunksize(p)))->mchunk_size) & PREV_INUSE)
/* set/clear chunk as being inuse without otherwise disturbing */
#define set_inuse(p) \
((mchunkptr)(((char *) (p)) + chunksize(p)))->mchunk_size |= PREV_INUSE
#define clear_inuse(p) \
((mchunkptr)(((char *) (p)) + chunksize(p)))->mchunk_size &= ~(PREV_INUSE)设置 chunk 的 size 字段
/* Set size at head, without disturbing its use bit */
// SIZE_BITS = 7
#define set_head_size(p, s) \
((p)->mchunk_size = (((p)->mchunk_size & SIZE_BITS) | (s)))
/* Set size/use field */
#define set_head(p, s) ((p)->mchunk_size = (s))
/* Set size at footer (only when chunk is not in use) */
#define set_foot(p, s) \
(((mchunkptr)((char *) (p) + (s)))->mchunk_prev_size = (s))获取指定偏移的 chunk
/* Treat space at ptr + offset as a chunk */
#define chunk_at_offset(p, s) ((mchunkptr)(((char *) (p)) + (s)))指定偏移处 chunk 使用状态相关操作
/* check/set/clear inuse bits in known places */
#define inuse_bit_at_offset(p, s) \
(((mchunkptr)(((char *) (p)) + (s)))->mchunk_size & PREV_INUSE)
#define set_inuse_bit_at_offset(p, s) \
(((mchunkptr)(((char *) (p)) + (s)))->mchunk_size |= PREV_INUSE)
#define clear_inuse_bit_at_offset(p, s) \
(((mchunkptr)(((char *) (p)) + (s)))->mchunk_size &= ~(PREV_INUSE))
