用C语言分配内存

C程序的内存结构

C语言之所以复杂是因为它的内存模型是必不可少的. 与某些高级语言不同，使用对象时只需要使用new进行创建. 之后，您无需担心所有事情. 对于C语言，与内存相关的所有事物都需要熟悉，否则，很长一段时间以来，它总是会步履维艰. 下图是C程序的典型存储器结构. 当然，有一个重要前提. 这样的布局在虚拟内存中:

关于虚拟内存内核维护一个页表（page table），该页表用于表示虚拟内存与物理内存地址或磁盘（交换区域）之间的映射关系. 并非所有虚拟地址都需要映射到物理内存上，否则，无论计算机的存储库有多大，如果再打开几个进程，内存将被消耗. 当您需要使用内存时，请应用到操作系统. 如果请求合法，则内核将条目添加到页表中，以在虚拟地址和物理地址之间建立映射. 同样，当需要释放时，将释放映射并返回资源.

关于虚拟内存的优势，“ Linux编程接口”给出了一个相对完整的答案:

进程与内核之间是相互隔离的，因此一个进程无法读取或修改另一个进程或内核的内存. 通过使每个进程的页表条目指向RAM（或交换区域）中物理页的不同集，可以实现这一点.

在适当情况下，两个或多个进程可以共享内存. 内核通过使不同进程中的页表条目引用RAM的相同页来实现这一点. 内存共享发生在两种常见情况下:

–执行同一程序的多个进程可以共享该程序代码的单个（只读）副本. 当多个程序执行相同的程序文件（或加载相同的共享库）时，会隐式执行这种共享.

–进程可以使用shmget（）和mmap（）系统调用来显式请求与其他进程共享内存区域. 这是出于进程间通信的目的.

便于实施存储器保护方案；也就是说，可以标记页表项，以指示相应页的内容是可读，可写，可执行或这些保护的某种组合. 在多个进程共享RAM页的情况下，可以指定每个进程在内存上具有不同的保护例如，一个进程可能具有对页面的只读访问权限，而另一个进程具有对读写的访问权限.

程序员和诸如编译器和链接器之类的工具无需关心RAM中程序的物理布局.

由于仅一部分程序需要驻留在内存中，因此程序加载和运行更快. 此外，一个进程的内存占用量（即虚拟大小）可能会超过RAM的容量.

虚拟内存管理的最后一个优势是，由于每个进程都使用较少的RAM，因此可以同时在RAM中保留更多的进程. 这通常可以提高CPU利用率，因为它增加了在任何时候，至少有一个CPU可以执行的进程的可能性.

本文主要讨论堆区域中内存分配的一些细节.

使用系统调用

通常，我们将堆的当前边界称为“程序中断”. 在堆区域中分配内存是将程序中断移到更高地址的过程. UNIX系统中的两个系统调用与此程序中断关系最密切:

int brk（void * addr）;

无效* sbrk（intptr_t增量）;

sbrk（）用于通过将程序中断移动增量长度来增加和释放内存. 由于虚拟内存是按页分配的，因此增量值不是实际分配的结果. 只要它不是页面大小的整数倍，就会多提供一个页面，而不是四舍五入，除非内存不足，否则总会提供更多页面. sbrk（0）显示当前程序中断. 当尝试访问除程序中断以外的存储器时，将生成SIGSEV信号并发生段故障. brk（）和sbrk（）的用法类似.

1 int main()
2 {
3      int* p = sbrk(100);
4      *(p+1023) =4;
5      printf("**\n");
6      *(p+1024) =4;
7 }

适用于内核的一段代码，用于100个字节的内存. 实际上，它映射一个内存页面. 第4行访问内存页面的最后4个字节，并将其重写. 第6行访问映射关系之外的内存. 非法，该程序的运行结果如下:

$ a.out

**

分段错误

使用brk（）/ sbrk（）释放内存时，映射关系可能不会立即释放. 当程序中断掉落超过一页时，可以将请求的物理内存返回给内核. 当然，释放后对该内存的所有操作都是不确定的，就像玩火一样. 同时，应该注意的是c语言内存分配对应，程序中断的移动不能移到堆区域之外，例如bss区域，数据区域等，这种行为基本上是致命的行为.

使用C标准库函数

malloc（）/ free（）绝对是C语言中使用最广泛的函数之一. 与brk（）/ sbrk（）相比，另一个接口更简单，并且还允许释放内存. （当程序中断向下移动以释放内存时，Brk（）/ sbrk（）无法自由释放，并且顶部的“ innocent”元素也将被释放. ）例如，这种情况（此处的内存映射为已发布）: <

free（）释放没有这样的“坑”，因为自由释放内存不一定会导致程序中断. 如果在free（）释放的内存上方（在高内存地址处）仍然有可用内存，则程序中断将不会移动，因此不会释放映射关系，这意味着该内存尚未返回到内核. 相反，它将作为免费内存移交给免费维护. 当下一个malloc应用程序执行时，它将将该内存（如果足够的话）返回给malloc. 那么，free如何知道空闲内存的大小？这是因为malloc返回的内存具有特殊的结构:

此存储器的大小记录在该存储器的前面. 回收该内存时，将记录其长度和地址. 再次使用malloc时，它将比较可用内存列表与满足要求的内存，并将其移交给程序以供“第二次使用”（或N次使用）. 当然，可用内存列表的使用取决于具体情况:

1. 如果可用内存大于malloc应用程序，则将其一部分剪切并返回给malloc，其余部分将被视为下一个malloc的可用内存.

2. 如果在malloc期间没有合适的可用内存，则程序中断将照常移动，并且可能会应用新的内存（在上一次映射期间可能会有多余的内存，因此不需要重新映射）.

了解了这些基本实现后，我们发现malloc（）和free（）是更危险的函数. 使用请求的内存时要特别小心，尤其是边界条件，否则结果可能是灾难性的. 例如，在这种情况下，在使用分配的内存之后，仅越过一个字节，而这个字节记录了另一内存的长度. 释放此内存后，free保持错误的长度. 下次有内存请求时，该内存将移交给malloc，这样就会出现“灾难”.

其余的内存分配功能

void * calloc（size_t nmemb，size_t size）;

void * realloc（void * ptr，size_t size）;

calloc（）与malloc类似，它分配大小为nmemb的对象，但与malloc不同: calloc会将分配的内存初始化为0.

realloc（）的名称意为“重新分配”，用于调整分配的内存ptr的大小，如果ptr之后的内存不足，它将申请一个新区域，原样复制原始内存，新建增加的内存未初始化. 因此，返回的结果可能与ptr不同，实际上，在某些情况下它并不相同. 因此，重新分配效率不够高. 建议不要将其用作最后的手段.

无效* alloca（size_t大小）;

该功能是在堆栈上分配内存. 手册中对此进行了描述:

alloca（）函数在调用者的堆栈帧中分配大小字节的空间. 当调用alloca（）的函数返回其调用者时，此临时空间将自动释放.

在堆栈上分配内存的方案并不多. 例如，执行非本地跳转时，setjmp和longjmp需要使用分配的内存. 您应该考虑使用alloca，因为他申请的内存将自动释放c语言内存分配对应，所以当longjmp反弹时不会出现内存泄漏. 偶尔使用此功能有利于身心健康.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
https://www.pc-fly.com/a/jisuanjixue/article-276649-1.html