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詳解C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)

更新時(shí)間：2021年06月07日 10:10:14 作者：可可西

在C/C++語(yǔ)言中，我們知道內(nèi)存分為這幾種：程序全局變量?jī)?nèi)存、棧內(nèi)存、堆內(nèi)存。其中堆內(nèi)存就是通過(guò)malloc(new)來(lái)分配的內(nèi)存，本文我們來(lái)探討一下C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)。

概述
不同操作系統(tǒng)Ansi C內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)方案有所不同
內(nèi)存碎片與碎片整理
內(nèi)存分配器的好壞標(biāo)準(zhǔn)
void* malloc( size_t size )
void free( void* ptr )
void* calloc( size_t num, size_t size )
void *realloc( void *ptr, size_t new_size )

概述

C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)有4個(gè)：malloc、free、calloc、realloc，其函數(shù)聲明放在了#include <stdlib.h>中，主要用來(lái)申請(qǐng)和釋放堆內(nèi)存。

堆內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放（wiki，chs），需要發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)帶來(lái)昂貴的上下文切換（用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)），十分耗時(shí)。另外，這些過(guò)程可能是帶鎖的，難以并行化。

對(duì)于操作系統(tǒng)而言，內(nèi)存管理的基本單位是頁(yè)（通常為4K），而不是需要4 Bytes時(shí)，就給你分配4 Bytes，釋放4 Bytes時(shí)，就給你釋放4 Bytes。

因此，為了提升效率，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用系統(tǒng)api（windows上是VirtualAlloc、VirtualFree，其他平臺(tái)是mmap、munmap）來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)Ansi C內(nèi)存分配器（工作在用戶(hù)態(tài)），供C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)來(lái)使用。

不同操作系統(tǒng)Ansi C內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)方案有所不同

windows：MSVCRT.DLL中使用NT heap實(shí)現(xiàn)
linux：glibc中使用ptmalloc實(shí)現(xiàn)
Android：使用jemalloc實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存碎片與碎片整理

（1）內(nèi)存碎片（fragmentation）：即空閑內(nèi)存不能被利用。分為外部碎片(在分配單元間的未使用的內(nèi)存)；內(nèi)部碎片(在分配單元中未使用的內(nèi)存)

（2）內(nèi)存碎片的罪魁禍?zhǔn)拙褪切K內(nèi)存的頻繁分配

（3）內(nèi)存碎片無(wú)法避免，只能通過(guò)內(nèi)存分配器算法來(lái)減少，例如：接近大小的內(nèi)存就近分配，釋放時(shí)能合并就合并，從而減少碎片

（4）上面講的內(nèi)存碎片指的是虛擬內(nèi)存碎片，OS是不管的，OS只管物理內(nèi)存。

（5）平時(shí)我們說(shuō)的內(nèi)存碎片整理（defragment）或內(nèi)存緊縮（memory compaction），是指OS對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行的碎片整理，把分開(kāi)小的物理內(nèi)存頁(yè)移動(dòng)在一起形成一個(gè)大的整塊。

OS整理完物理內(nèi)存后，會(huì)用新的物理內(nèi)存地址來(lái)更新虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射表，這些對(duì)于上層邏輯都是透明的。

虛擬內(nèi)存是不能進(jìn)行碎片整理的，主要原因是碎片整理會(huì)移動(dòng)內(nèi)存，上層邏輯的指針地址確還是指向老的地址，這會(huì)導(dǎo)致致命錯(cuò)誤。

內(nèi)存分配器的好壞標(biāo)準(zhǔn)

（1）分配和釋放的效率

（2）內(nèi)存分配器的利用率。包括以下幾個(gè)方面：

① 內(nèi)存對(duì)齊導(dǎo)致的不可使用的內(nèi)存碎片（內(nèi)部碎片）

② 內(nèi)存碎片太嚴(yán)重，使得分配大塊內(nèi)存時(shí)，找不到空閑塊，最后導(dǎo)致內(nèi)存分配失?。ㄍ獠克槠?/p>

③ 內(nèi)存頁(yè)始終有被使用，導(dǎo)致分配器無(wú)法及時(shí)釋放該頁(yè)的內(nèi)存占用，使得整個(gè)內(nèi)存分配器的內(nèi)存占用被撐得很大，縮不回去

void* malloc( size_t size )

形參size為要求分配的字節(jié)數(shù)。如果函數(shù)執(zhí)行成功，malloc返回獲得內(nèi)存空間的首地址；如果函數(shù)執(zhí)行失敗，那么返回值為NULL。

由于 malloc函數(shù)值的類(lèi)型為void型指針，因此，可以將其值類(lèi)型轉(zhuǎn)換后賦給任意類(lèi)型指針，這樣就可以通過(guò)操作該類(lèi)型指針來(lái)操作從堆上獲得的內(nèi)存空間。

需要注意的是，malloc函數(shù)分配得到的內(nèi)存空間是未初始化的?？赏ㄟ^(guò)調(diào)用memset來(lái)將其初始化為全0。

int* p = (int *) malloc(sizeof(int)*100);
 
if (p == NULL)
{
    printf("Can't get memory!\n");
}
 
memset(p, 0, sizeof(int)*100);

void free( void* ptr )

從堆上獲得的內(nèi)存，在程序結(jié)束之前，系統(tǒng)不會(huì)將其自動(dòng)釋放，需要程序員來(lái)自己管理，防止出現(xiàn)內(nèi)存泄露。

free(p);
p = NULL;

void* calloc( size_t num, size_t size )

calloc函數(shù)的功能與malloc函數(shù)的功能相似，都是從堆分配內(nèi)存。

函數(shù)返回值為void*。如果執(zhí)行成功，從堆上獲得size * num大小的堆內(nèi)存，并返回該內(nèi)存塊的首地址。如果執(zhí)行失敗，函數(shù)返回NULL。

與malloc函數(shù)不同的是，calloc函數(shù)得到的內(nèi)存塊會(huì)被初始化為全0。由于提供了2個(gè)參數(shù)，比較適合為數(shù)組申請(qǐng)空間，可以將size設(shè)置為數(shù)組元素的空間長(zhǎng)度，將num設(shè)置為數(shù)組的容量。

int* p = (int *) calloc(100,  sizeof(int));
 
if (p == NULL)
{
    printf("Can't get memory!\n");
}

void realloc( void ptr, size_t new_size )

為ptr重新分配大小為size的一塊內(nèi)存空間。下面是這個(gè)函數(shù)的工作流程：

① 如果ptr為NULL，則函數(shù)相當(dāng)于malloc(new_size)，試著分配一塊大小為new_size的內(nèi)存，如果成功將地址返回，否則返回NULL。

② 如果ptr不為NULL，查看ptr是不是在堆中，如果不是的話(huà)會(huì)拋出realloc invalid pointer異常。如果ptr在堆中，則查看new_size大小。

（a）如果new_size大小為0，則相當(dāng)于free(ptr)，將ptr指向的內(nèi)存空間釋放掉，返回NULL。

（b）如果new_size小于原大小，只有new_size大小的數(shù)據(jù)會(huì)保存，后面地址的數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失；

（c）如果new_size等于原大小，什么都沒(méi)有做；

（d）如果new_size大于原大小，則查看ptr指向的位置還有沒(méi)有足夠的連續(xù)內(nèi)存空間，如果有的話(huà)，分配更多的空間，返回的地址和ptr相同；

如果沒(méi)有的話(huà)，在更大的空間內(nèi)查找，如果找到new_size大小的空間，將舊的內(nèi)容拷貝到新的內(nèi)存中，把舊的內(nèi)存釋放掉，則返回新地址，否則返回NULL。

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
*p = 3;
printf("p=%p\n", p);  // p=0000020B2966E310
printf("*p=%d\n", *p); // *p=3

p = (int*)realloc(p, sizeof(int));  // 什么也不做
printf("p=%p\n", p);  // p=0000020B2966E310
printf("*p=%d\n", *p); // *p=3

p = (int*)realloc(p, 1024 * sizeof(int)); // 創(chuàng)建4KB的內(nèi)存塊  注：4KB為一個(gè)頁(yè)面的大小
printf("p=%p\n", p); // p=0000020B29673A50  注：由于不能在原來(lái)地址上擴(kuò)容，會(huì)將原來(lái)地址內(nèi)存釋放，并在新地址申請(qǐng)內(nèi)存塊
printf("*p=%d\n", *p); // *p=3

realloc(p, 0);  // 相當(dāng)于free(p)
p = NULL;

以上就是詳解C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)堆內(nèi)存函數(shù)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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