malloc的内存分配原理
0 堆內(nèi)存的在計算機內(nèi)存中的形式
根據(jù)《The?C Programming language》推測得到堆內(nèi)存，圖中的Heap區(qū)域即為堆內(nèi)存塊（Heap區(qū)域的數(shù)目不代表計算機堆內(nèi)存的真實數(shù)目）。
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[1]?堆內(nèi)存不連續(xù)。只有標識為Heap的才是堆內(nèi)存。
[2] ?在malloc()/free()看來，每個Heap所代表的的堆由兩部分組成：Header +可給用戶使用的堆內(nèi)存。在Header中包含了“指向下一鄰近高地址堆內(nèi)存塊的指針”、“本堆塊的大小”。每次由malloc()函數(shù)分配給用戶的堆內(nèi)存也必須包含Header結構（且所占內(nèi)存就在返回給用戶使用的堆內(nèi)存之前），這樣是為了讓malloc()/free()更好的管理堆內(nèi)存。
[3]?malloc()/free()函數(shù)操作的堆內(nèi)存是如圖所示的一個鏈（Heap1 -> Heap2 ->Heap3 ->Heap4 ->Heap1），可通過此鏈表訪問到任意一段堆內(nèi)存。所以，經(jīng)malloc()函數(shù)實際分配得到的堆內(nèi)存要比用戶實際需求的要大一個Header，只是返回給用戶的堆內(nèi)存大小剛好是用戶所需。free()釋放時，也要根據(jù)Header的內(nèi)容將此段曾供給用戶使用過得堆內(nèi)存釋放到最鄰近的一個堆塊中去。
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這就是內(nèi)存中的堆內(nèi)存。堆內(nèi)存由用戶用代碼分配及回收。堆和棧的區(qū)別不僅在于內(nèi)存的存在形式，在使用時棧一般擁有內(nèi)存名即棧內(nèi)存可以由內(nèi)存名（變量名）直接訪問，也可以通過地址（指針）訪問棧內(nèi)存。但對于堆內(nèi)存來說，堆不存在內(nèi)存名，只有通過地址（指針）訪問。
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1堆內(nèi)存
Figure1：內(nèi)存中的堆內(nèi)存空間假設從《The ?C ?Programming ?Language》中推測正確，從未經(jīng)動態(tài)分配的堆內(nèi)存呈現(xiàn)上圖形式。不連續(xù)的堆內(nèi)存以“鏈”的形式聯(lián)系：Heap1 -> Heap2 ->Heap3 ->Heap4->Heap1。筆跡將構成“堆鏈”的每個堆內(nèi)存（如Heap1）稱為“堆塊”。malloc()/free()將每個堆塊看作由兩部分構成：“Header”和“可用堆內(nèi)存”。在Header中包含了“指向下一個堆內(nèi)存塊的指針”、“本堆塊的大小”。這樣malloc()/free()就能更好地管理堆。
2 堆內(nèi)存分配
[1] mallco()分配機制
根據(jù)C中malloc(n)函數(shù)動態(tài)分配堆的機制：分配堆內(nèi)存的時候就依序由低到高的地址搜索“堆鏈”中的堆塊，搜索到“可用堆內(nèi)存”滿足n的堆塊（如Heap1）為止。若Heap1的“可用堆內(nèi)存”剛好滿足n，則將Heap1從“堆鏈”中刪除，同時重新組織各堆塊形成新的“堆鏈”；若Heap1的“可用堆內(nèi)存”大小大于n，則將malloc(n)申請到的“Header” + "可用堆內(nèi)存"部分從Heap1中分裂，將剩余的Heap1堆內(nèi)存塊重新加入“堆鏈”中。經(jīng)分裂后的堆內(nèi)存也包含“Header”和“可用堆內(nèi)存”兩部分（如圖Figure 2），然后將由malloc()分配得到的“可用堆內(nèi)存”返回給用戶。若某塊堆內(nèi)存空間比較大（如Heap1），能夠滿足較小內(nèi)存的多次申請，那么由malloc(n)多次申請的堆內(nèi)存塊都是連續(xù)被分配給用戶的（因為有Header，所以用戶使用的堆地址不連續(xù)）。 為方便free()釋放堆空間，經(jīng)malloc(n)分配給用戶的堆空間也隱含一個Header。如下圖所示： Figure2：malloc()分配的堆內(nèi)存結構由于Header的構成的內(nèi)存對齊，C中malloc(n)函數(shù)分配的堆內(nèi)存會大于等于Header + n。
3 malloc()分配內(nèi)存
可先參見位經(jīng)malloc()函數(shù)申請分配的堆內(nèi)存在計算機中的形式：計算機中的堆。
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經(jīng)malloc()分配過得堆內(nèi)存結構如下：
Read From《The?C?Programming?Language》。
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可用的堆內(nèi)存塊以“可用堆內(nèi)存鏈表”的形式存在。malloc()進行動態(tài)分配的特點：
- malloc()根據(jù)用戶所需分配內(nèi)存的大小n (bytes)在“堆鏈表”（見未使用過得堆內(nèi)存）里搜索。直到搜索到一個大于等于n字節(jié)的堆內(nèi)存塊為止。如果此堆內(nèi)存塊的大小剛好為n，則直接將首地址返回給用戶；如果此內(nèi)存塊的大小大于n，則將此塊堆內(nèi)存分裂，將大于n部分的堆內(nèi)存留在可用堆內(nèi)存中，以“堆鏈表”的形式和其它未分配的堆內(nèi)存發(fā)生聯(lián)系。
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如果整個堆鏈表所代表的堆內(nèi)存塊都沒有大于等于n的堆內(nèi)存塊，系統(tǒng)將給“堆鏈表”鏈接一個更大的區(qū)域供其使用。要是這一步也失敗了，malloc()函數(shù)就返回NULL給用戶。
malloc()函數(shù)分配內(nèi)存成功則返回可用堆內(nèi)存塊的首地址，若分配失敗則返回空。在使用malloc()后一定要判斷堆內(nèi)存是否成功。若對內(nèi)存分配未成功使用指針操作內(nèi)存也會使程序出現(xiàn)異常。動態(tài)分配內(nèi)存時要采取以下結構：
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[cpp]?view plaincopyprint??
分配成功后，得到的堆內(nèi)存首地址一定要保存，不然后來無法釋放堆內(nèi)存而造成內(nèi)存泄露。而且不可使用未初始化的pL指向的內(nèi)存塊。
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4 用指針來使用堆空間
- 定義指針后，釋放堆空間后都應將指針賦值為NULL。若指針之上有地址值，而以此地址值為起始地址的內(nèi)存空間不再可用，則就形成了野指針，野指針有潛在的危險。
- 在上一點的基礎之上，使用指針前判斷其值是否為NULL。
- 以指針為索引(堆內(nèi)存無名)，若malloc分配內(nèi)存成功，初始化堆內(nèi)存（malloc時，大小要不為0）。malloc前的強制轉換類型規(guī)定了申請的堆內(nèi)存將要存的數(shù)據(jù)類型。
- free堆內(nèi)存后，指針保存的地址值還在，只是那塊內(nèi)存已經(jīng)被回收了，所以需要再次將指針的值設為NULL，避免使用野指針。free內(nèi)存時，按照邏輯來，防止內(nèi)存泄露。
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指針名所代表的4 bytes內(nèi)存上存了堆內(nèi)存的首地址后，訪問這塊堆內(nèi)存內(nèi)容跟平時使用指針差不多。可以以指針的形式訪問（甚用p++ || ++p，堆內(nèi)存首地址可不要丟失，留著釋放），也可以使用下標的形式訪問。
5 free()內(nèi)存
當使用free()函數(shù)釋放堆內(nèi)存的時候，free()函數(shù)將堆內(nèi)存插入到于要釋放堆內(nèi)存地址最鄰近的一個位置上，盡可能的使堆內(nèi)存以大塊的形式存在而不至于讓堆內(nèi)存稱為碎片。
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釋放未指向任何堆內(nèi)存塊的指針也會造成內(nèi)存泄露。所以在釋放指針前的一個基本操作是判斷指針內(nèi)容是否為空，free(p)后只是將p指向的內(nèi)存回收，p的值依舊存在，為避免再次使用p的值還需要將p賦值為NULL（因為使用指針前都會判斷是否為NULL）。釋放堆內(nèi)存塊采取這樣的程序結構：
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[cpp]?view plaincopyprint?6 指針賦值為NULL的道理
有筆記“C中的void和NULL”表面引用NULL指針的后果。為了更好的利用指針，避免野指針（指針所指的內(nèi)存塊不可用）的使用在所有使用指向堆內(nèi)存塊的指針前都采取如此的結構：
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[cpp]?view plaincopyprint?定義指針后將其值賦值為NULL。此時指針指向的內(nèi)存地址為NULL，NULL對指針的賦值是將指針置成空指針（什么也沒有指向）還是將指針指向了一段特殊的地址取決于編譯器，編程中我們不需要了解NULL到底代表什么，只需要用NULL來避免指針帶來的后果。
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定義指針后將其賦值為NULL之后的好處在于避免系統(tǒng)給予局部指針變量的隨機值，我們在使用指針前（malloc()除外）都判斷一下指針的值是否為NULL，只有在不為空的情況下才能對此進行操作，如free(p)，若在不判斷p是否為空的情況下進行free(p)操作則會造成內(nèi)存泄露。
7 在含指針參數(shù)的函數(shù)內(nèi)使用斷言
(1)用斷言判斷指針是否為NULL
判斷指針是否為NULL的主要針對對象是指向堆內(nèi)存的指針。比如在以下內(nèi)存拷貝函數(shù)中：
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[cpp]?view plaincopyprint??
程序中首先判斷兩個地址是否為空。判斷StrTo是為了了解StrTo是否指向一段空間。當然若StrTo指向一個常數(shù)，往后拷貝操作還得出錯。
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像這樣帶指針參數(shù)的子函數(shù)內(nèi)都很有必要有這么一段判斷指針是否為NULL的語句，故而可以將這樣的代碼寫成函數(shù)來供大家使用，再考慮此代碼段比較小可以用宏代替。這樣的（帶參數(shù)）宏可稱為斷言，因為當指針未空時就退出子函數(shù)（如assert()）。
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如以上一段判斷子函數(shù)是否為空可以用如下宏代替，形成一個斷言：
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[cpp]?view plaincopyprint??
然后在每個程序中直接調(diào)用MY_ASSERT(pStrTo, pStrFrom);即可。由于這樣的宏（斷言）可能供許多函數(shù)的使用，所以一定要保證它的正確性。
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(2)內(nèi)存塊重疊
內(nèi)存塊重疊指多個指針指向的內(nèi)存有重疊的情況。對內(nèi)存塊的操作是否會影響源內(nèi)存塊的內(nèi)容（如內(nèi)存數(shù)據(jù)拷貝）。
兩指針指向的內(nèi)存塊重疊
如上圖將p2指向內(nèi)存的數(shù)據(jù)拷貝給p1代表的內(nèi)存中去后，p2指向的內(nèi)存塊數(shù)據(jù)也被改變。堆內(nèi)存塊的操作不要有副作用。
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8 總結
(1)用NULL（因其特殊性）來統(tǒng)一標識指針的可用性。使用指針前都應該判斷一下指針是否為NULL。
(2)將局部指針變量初始化為NULL（消除系統(tǒng)給其賦的隨機值，系統(tǒng)為其賦隨機值也就造就了野指針）。
(3)指針用于指向堆內(nèi)存時需要注意：
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malloc()后一定要判斷是否malloc()成功。malloc()成功后一定要保存所分配堆內(nèi)存塊的首地址。
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使用堆內(nèi)存塊前要初始化。
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使用堆內(nèi)存塊不可越界。
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正確釋放每個堆內(nèi)存塊。且釋放后將指針的值重新賦值為NULL。
(4)使用指針前都應該判斷一下指針是否為NULL。
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完全使用完某個指針或釋放指向堆內(nèi)存的指針后，將其值賦值為空。指向堆內(nèi)存的指針在釋放完需要賦值為空的理由見free ()堆內(nèi)存。對于指針定義時初始化和完全使用完指針后再將其值賦為NULL的道理在于所有使用指針的語句前都會有有判斷指針是否為NULL的語句。尤其是在子函數(shù)內(nèi)判斷指向堆內(nèi)存塊的指針實參是否為NULL。
9 malloc()分配總結
對于C中的malloc(n)分配，有以下進一步的結論：
- 實際分配的堆內(nèi)存是Header + n結構。返回給用戶的是n部分的首地址。
- 由于內(nèi)存對齊值8，實際分配的堆內(nèi)存大于等于sizeof(Header) + n。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的malloc的内存分配原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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