来源于小伙伴提问。
以下是我的一些看法。
malloc 和 free 实际上是依赖于 C 库和操作系统提供的内存管理机制，它们基于特定的数据结构和算法来管理动态分配的内存。
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malloc 内存分配的实现
当你调用 malloc 分配内存时，C 运行时库（如 glibc）会从堆中分配一块内存。在这个过程中，分配器会维护一个内部的 “自由链表”（free list）或其他数据结构来追踪哪些内存块是空闲的，哪些是已分配的。
当需要分配内存时，分配器会从自由链表中找到合适大小的空闲块，然后将这块内存返回，并在链表中更新其状态。
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free 释放内存的原理
在 free 时，分配器需要知道内存块的起始地址以及它的大小，以便将其标记为空闲并重新加入自由链表。你提到的“如何知道要释放的内存大小”是一个关键问题，这确实依赖于内存分配器内部的数据结构。
通常分配器会在每个分配的内存块前增加一个 “头部”（header），这个头部存储了该内存块的元信息，包括分配的大小和状态（空闲或已分配）。因此，当你传递指针 p 给 free 时，分配器可以通过 p 之前的头部信息找到整个块的大小，然后正确释放该块。
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为什么 free(p + 6) 仍然能释放整个块
在 C 中，标准库实现中并不支持直接释放偏移后的地址（如 p + 6）。尝试调用 free(p + 6) 实际上会导致未定义行为，具体表现取决于实现，但通常会导致程序崩溃或产生错误。
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数据结构和性能优化
典型的内存分配器使用 双向链表 或 分离链表 来维护空闲和已分配的内存块，以便快速找到和释放内存。自由链表通常按大小分段存储，以便在释放时找到最合适的块，减少碎片化。
在一些高级分配器（如 tcmalloc 或 jemalloc）中，使用了更加复杂的数据结构，例如 哈希表或树状结构（如红黑树）来管理和分配内存。这种结构优化了查找速度，并通过不同大小的块分区降低了碎片化程度。
