详解C标准库堆内存函数

概述

C标准库堆内存函数有4个：malloc、free、calloc、realloc，其函数声明放在了#include <stdlib.h>中，主要用来申请和释放堆内存。

堆内存的申请和释放（wiki，chs），需要发起系统调用，会带来昂贵的上下文切换（用户态切换到内核态），十分耗时。另外，这些过程可能是带锁的，难以并行化。

对于操作系统而言，内存管理的基本单位是页（通常为4K），而不是需要4 Bytes时，就给你分配4 Bytes，释放4 Bytes时，就给你释放4 Bytes。

因此，为了提升效率，操作系统会调用系统api（windows上是VirtualAlloc、VirtualFree，其他平台是mmap、munmap）来实现一个Ansi C内存分配器（工作在用户态），供C标准库堆内存函数来使用。

不同操作系统Ansi C内存分配器实现方案有所不同

• windows：MSVCRT.DLL中使用NT heap实现
• linux：glibc中使用ptmalloc实现
• Android：使用jemalloc实现

内存碎片与碎片整理

（1）内存碎片（fragmentation）：即空闲内存不能被利用。分为外部碎片(在分配单元间的未使用的内存)；内部碎片(在分配单元中未使用的内存)

（2）内存碎片的罪魁祸首就是小块内存的频繁分配

（3）内存碎片无法避免，只能通过内存分配器算法来减少，例如：接近大小的内存就近分配，释放时能合并就合并，从而减少碎片

（4）上面讲的内存碎片指的是虚拟内存碎片，OS是不管的，OS只管物理内存。

（5）平时我们说的内存碎片整理（defragment）或内存紧缩（memory compaction），是指OS对物理内存进行的碎片整理，把分开小的物理内存页移动在一起形成一个大的整块。

OS整理完物理内存后，会用新的物理内存地址来更新虚拟内存与物理内存映射表，这些对于上层逻辑都是透明的。

虚拟内存是不能进行碎片整理的，主要原因是碎片整理会移动内存，上层逻辑的指针地址确还是指向老的地址，这会导致致命错误。

内存分配器的好坏标准

（1）分配和释放的效率

（2）内存分配器的利用率。包括以下几个方面：

① 内存对齐导致的不可使用的内存碎片（内部碎片）

② 内存碎片太严重，使得分配大块内存时，找不到空闲块，最后导致内存分配失败（外部碎片）

③ 内存页始终有被使用，导致分配器无法及时释放该页的内存占用，使得整个内存分配器的内存占用被撑得很大，缩不回去

void* malloc( size_t size )

形参size为要求分配的字节数。如果函数执行成功，malloc返回获得内存空间的首地址；如果函数执行失败，那么返回值为NULL。

由于 malloc函数值的类型为void型指针，因此，可以将其值类型转换后赋给任意类型指针，这样就可以通过操作该类型指针来操作从堆上获得的内存空间。

需要注意的是，malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。可通过调用memset来将其初始化为全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 )

从堆上获得的内存，在程序结束之前，系统不会将其自动释放，需要程序员来自己管理，防止出现内存泄露。

free(p);
p = NULL;

void* calloc( size_t num, size_t size )

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存。

函数返回值为void*。如果执行成功，从堆上获得size * num大小的堆内存，并返回该内存块的首地址。如果执行失败，函数返回NULL。

与malloc函数不同的是，calloc函数得到的内存块会被初始化为全0。由于提供了2个参数，比较适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将num设置为数组的容量。

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

void *realloc( void *ptr, size_t new_size )

为ptr重新分配大小为size的一块内存空间。下面是这个函数的工作流程：

① 如果ptr为NULL，则函数相当于malloc(new_size)，试着分配一块大小为new_size的内存，如果成功将地址返回，否则返回NULL。

② 如果ptr不为NULL，查看ptr是不是在堆中，如果不是的话会抛出realloc invalid pointer异常。如果ptr在堆中，则查看new_size大小。

（a）如果new_size大小为0，则相当于free(ptr)，将ptr指向的内存空间释放掉，返回NULL。

（b）如果new_size小于原大小，只有new_size大小的数据会保存，后面地址的数据可能会丢失；

（c）如果new_size等于原大小，什么都没有做；

（d）如果new_size大于原大小，则查看ptr指向的位置还有没有足够的连续内存空间，如果有的话，分配更多的空间，返回的地址和ptr相同；

如果没有的话，在更大的空间内查找，如果找到new_size大小的空间，将旧的内容拷贝到新的内存中，把旧的内存释放掉，则返回新地址，否则返回NULL。

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
*p = 3;
printf("p=%pn", p);  // p=0000020B2966E310
printf("*p=%dn", *p); // *p=3

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

p = (int*)realloc(p, 1024 * sizeof(int)); // 创建4KB的内存块  注：4KB为一个页面的大小
printf("p=%pn", p); // p=0000020B29673A50  注：由于不能在原来地址上扩容，会将原来地址内存释放，并在新地址申请内存块
printf("*p=%dn", *p); // *p=3

realloc(p, 0);  // 相当于free(p)
p = NULL;

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最后

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