我們已經知道，每一個進程內存包含多個段，如文本段、已初始化數據段、未初始化數據段和堆棧段等。程序中已初始化的全局變量和靜態變量會在已初始化數據段中，而未初始化的數據在未初始化數據段中。對于這些數據，程序運行的時候才分配內存，這里的分配內存，是由系統程序完成的。

系統程序需要為動態數據結構（例如鏈表和二叉樹等）分配額外的內存，這類的數據結構的大小由運行時所獲取的信息決定。內存分配可以在堆或堆棧上進行。

下圖是進程內存布局圖：

1、在堆上分配內存

圖中，堆是一段長度可變的連續虛擬內存，開始于未初始化數據段的末尾，隨著內存的分配和釋放而增減。可以通過改變堆的大小來實現內存的分配。通常將堆的當前內存邊界稱為“program break”。

C語言中可以使用malloc()實現內存分配，malloc是基于brk()和sbrk()系統調用實現的。brk和sbrk可以調整program break，由于program break就是未使用內存和堆之間的界限，因此修改program break就是改變堆的大小。最開始的時候，program break在未初始化數據段的末尾，和&end位置相同。

需要注意的是，分配的內存是虛擬內存，并沒有分配實際物理內存，內核會在進程首次訪問這些虛擬內存時自動分配新的物理內存分頁。下面是brk和sbrk系統調用的具體格式：

#include <unistd.h> int brk(void *end_data_segment);//Returns 0 on success,or -1 on error void *sbrk(intptr_t increment);//Returns previous program break on success,or (void *)-1 on error

brk將program break設置為參數end_data_segment，注意，虛擬內存以頁為單位進行分配，end_data_segment會和下一個內存頁的邊界處對齊。同時還要注意，當試圖將program break設置為比當前值小的位置時，可能會發生意想不到的錯誤。

sbrk系統調用將program break增加參數increment大小。intptr_t是正數數據類型。如果調用成功，sbrk返回前一個program break的地址。也就是說，如果增加program break，那么sbrk將返回新分配的內存的起始位置的指針。

小技巧：可以調用sbrk(0)得到當前program break的位置。

C語言中的內存分配函數malloc和內存釋放函數free是基于brk和sbrk系統調用實現的。下面是具體格式：

#include <stdlib.h> void *malloc(size_t size);//Returns pointer to allocated memory on success,or NULL on error void free(void *ptr);malloc函數返回新分配內存的起始位置的指針，如果無法分配內存，則返回NULL；free函數釋放參數ptr指向的內存塊。

由于以下的原因，free函數通常不降低program break的位置：

• 被釋放的內存塊通常會位于堆的中間，而非堆的頂部；
• 這樣減少了sbrk系統調用次數；
• 在大多數情況下，降低program break的位置不會對那些分配大量內存的程序有多少幫助，因為它們通常傾向于持有已分配內存或是反復釋放和重新分配內存，而非釋放所有內存后再持續運行一段時間。

下面的程序說明了free對program break的影響。程序有多個參數，第一個參數是分配內存的塊數，第二個參數是每個內存塊的大小，第三個參數指定了釋放內存塊的步長，第四個和第五個參數限定了釋放內存塊的范圍，如果不指定，就當全部范圍。 #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include "error_functions.c" #include "get_num.c" #define MAX_ALLOCS 1000000 int main(int argc,char *argv[]) {if(argc<3||strcmp(argv[1],"--help")==0)usageErr("%s num_blocks block_size [step [min [max]]]\n",argv[0]);char *ptr[MAX_ALLOCS];int freeStep,freeMin,freeMax,blockSize,blockNum;blockNum=getInt(argv[1],GN_GT_0,"block_num");if(blockNum>MAX_ALLOCS)errExit("block_num>MAX_ALLOCS\n");blockSize=getInt(argv[2],GN_GT_0|GN_ANY_BASE,"block_size");freeStep=(argc>3)?getInt(argv[3],GN_GT_0,"step"):1;freeMin=(argc>4)?getInt(argv[4],GN_GT_0,"min"):1;freeMax=(argc>5)?getInt(argv[5],GN_GT_0,"max"):blockNum;if(freeMax>blockNum)errExit("bigger");printf("Initial program break: %10p\n",sbrk(0));int j=0;for(j=0;j<blockNum;j++){if((ptr[j]=malloc(blockSize))==NULL)errExit("malloc");}printf("Program break is now: %10p\n",sbrk(0));for(j=freeMin-1;j<freeMax;j+=freeStep)free(ptr[j]);printf("After free(),program break is:%10p\n",sbrk(0));exit(EXIT_SUCCESS); }
下面給出幾個運行示例：

（1）分配1000個內存塊，每個10240字節，步長是1，全部釋放 可以看到，當釋放的內存足夠大的時候，free會降低program break； （2）連續釋放前999個內存塊 結果program break沒有變化，因為釋放的內存塊在堆的中間； （3）每隔一個內存塊釋放一個 program break也沒有變化 （4）釋放后500塊內存塊 program break下降了，free使用sbrk系統調用實現。 free函數會在釋放是將相鄰的內存塊合并為一個連續的內存塊。 2、在堆棧上分配內存 alloca函數通過增加棧幀的大小來分配內存。格式如下：
#include <alloca.h> void *alloca(size_t size);//Returns pointer to allocated block of memoryalloca函數有幾個優點，一個就是速度快，因為編譯器將它作為內聯代碼處理。還有，alloca分配的內存會隨棧幀的移除而自動釋放，即當調用alloca的函數返回時。這是因為函數返回時所執行的代碼會重置棧指針寄存器，使其指向前一幀的末尾。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的内存分配的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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