0x01.堆的定义

在程序运行过程中，堆可以提供动态分配的内存，允许程序申请大小未知的内存。
堆其实就是程序虚拟地址空间的一块连续的线性区域，它由低地址向高地址方向增长。
一般称管理堆的那部分程序为堆管理器。
堆管理器处于用户程序与内核中间。
目前 Linux 标准发行版中使用的堆分配器是 glibc 中的堆分配器：ptmalloc2。ptmalloc2 主要是通过 malloc/free 函数来分配和释放内存块。
只有当真正访问一个地址的时候，系统才会建立虚拟页面与物理页面的映射关系。
虽然操作系统已经给程序分配了很大的一块内存，但是这块内存其实只是虚拟内存。只有当用户使用到相应的内存时，系统才会真正分配物理页面给用户使用。

0x02.堆管理器的主要工作

向操作系统申请内存

响应用户的申请内存请求，向操作系统申请内存，然后将其返回给用户程序。同时，为了保持内存管理的高效性，内核一般都会预先分配很大的一块连续的内存，然后让堆管理器通过某种算法管理这块内存。只有当出现了堆空间不足的情况，堆管理器才会再次与操作系统进行交互。

管理用户所释放的内存

一般来说，用户释放的内存并不是直接返还给操作系统的，而是由堆管理器进行管理。这些释放的内存可以来响应用户新申请的内存的请求。

0x03.堆的基本操作

malloc

在 glibc 的malloc.h中，malloc 的说明：

/*
  malloc(size_t n)
  Returns a pointer to a newly allocated chunk of at least n bytes, or null
  if no space is available. Additionally, on failure, errno is
  set to ENOMEM on ANSI C systems.
  If n is zero, malloc returns a minumum-sized chunk. (The minimum
  size is 16 bytes on most 32bit systems, and 24 or 32 bytes on 64bit
  systems.)  On most systems, size_t is an unsigned type, so calls
  with negative arguments are interpreted as requests for huge amounts
  of space, which will often fail. The maximum supported value of n
  differs across systems, but is in all cases less than the maximum
  representable value of a size_t.
*/

翻译：

malloc（size_t n）
返回指向新分配的块（至少为n字节）或空的指针(如果没有可用的空间)。
此外，如果失败，errno是在ANSI C系统上设置为ENOMEM。
如果n为零，malloc返回最小大小的块。
（最小值在大多数32位系统上大小是16字节，在64位系统上是24或32字节。）
当 n 为负数时，由于在大多数系统上，size_t 是无符号数，所以程序就会申请很大的内存空间，
但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。
n支持的最大值取决于不同的系统，但在所有情况下都小于最大值大小的可表示值（size_t）。

malloc 函数返回对应大小字节的内存块的指针。
当 n=0 时，返回当前系统允许的堆的最小内存块。
当 n 为负数时，由于在大多数系统上，size_t 是无符号数，所以程序就会申请很大的内存空间，但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。

free

在 glibc 的 malloc.h 中，free 的说明：

/*
      free(void* p)
      Releases the chunk of memory pointed to by p, that had been previously
      allocated using malloc or a related routine such as realloc.
      It has no effect if p is null. It can have arbitrary (i.e., bad!)
      effects if p has already been freed.
      Unless disabled (using mallopt), freeing very large spaces will
      when possible, automatically trigger operations that give
      back unused memory to the system, thus reducing program footprint.
    */

翻译：

free(void* p)
释放p所指的内存块（之前使用malloc或相关例程（如realloc）分配的。）  
如果p为空则无效。
当 p 已经被释放之后，再次释放会出现乱七八糟的效果。
除了被禁用 (mallopt) 的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间。