C语言动态内存分配：（一）malloc/free的实现及malloc实际分配/释放的内存

一、malloc/free概述

malloc是在C语言中用于在程序运行时在堆中进行动态内存分配的库函数。free是进行内存释放的库函数。

1、函数原型

#include <stdlib.h>

void *malloc(
size_t size
);
void free(
void* memblock
);
2、返回值
成功时，返回所分配存储空间的起始地址；返回值类型为void*,在C语言中可以把void*直接付给具体的类型，但是在C++中必须进行强制类型转换

失败时(内存不足时)返回NULL

size为0时，返回的指针不是NULL；但是除了free，别的地方不要使用这个指针。

3、使用示例

#include <stdlib.h> /* For _MAX_PATH definition */
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

void main( void )
{
char *string;

/* Allocate space for a path name */
string = malloc( _MAX_PATH );

// In a C++ file, explicitly cast malloc's return. For example,
// string = (char *)malloc( _MAX_PATH );

if( string == NULL )
printf( "Insufficient memory available\n" );
else
{
printf( "Memory space allocated for path name\n" );
free( string );
printf( "Memory freed\n" );
}
}

二、malloc实际分配的内存大小

malloc实际分配的内存会大于我们需要的size。主要由两方面因素决定：

1、字节对齐。会对齐到机器最受限的类型（具体的实现因机器而异）。

2、“块头部信息”。每个空闲块都有“头部”控制信息，其中包含一个指向链表中下一个块的指针、当前块的大小和一个指向本身的指针。为了简化块对齐，所有块的大小都必须是头部大小的整数倍，且头部已正确对齐。

在VC平台下由_CrtMemBlockHeader结构体实现。

以下为《C程序设计语言》中给出的通过union进行的头部实现，其中假定机器的受限类型为long。

typedef long Align;/*按照long类型的边界对齐*/
union header/*块的头部*/
{
   struct
   {
       union header *ptr;/*空闲块链表中的下一块*/
       unsigned size;/*本块的大小*/
   }s;
   Align x;/*强制块对齐*/
};
说明：
（1）实际分配的内存块将多一个单元，用于头部本身。实际分配的块的大小被记录在头部的size字段中。
（2）size字段是必须的，因为malloc函数控制的块不一定是连续的，这样就不能通过指针算术运算计算其大小。

（3）malloc返回的是空闲块的首地址，而不是首地址。

三、malloc/free实现过程

1、空闲存储空间以空闲链表的方式组织（地址递增），每个块包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身存储空间的指针。（因为程序中的某些地方可能不通过malloc调用申请，因此malloc管理的空间不一定连续。）

2、当有申请请求时，malloc会扫描空闲链表，直到找到一个足够大的块为止（首次适应）(因此每次调用malloc时并不是花费了完全相同的时间）。

3、如果该块恰好与请求的大小相符，则将其从链表中移走并返回给用户。如果该块太大，则将其分为两部分，尾部的部分分给用户，剩下的部分留在空闲链表中（更改头部信息）。因此malloc分配的是一块连续的内存。

4、释放时，首先搜索空闲链表，找到可以插入被释放块的合适位置。如果与被释放块相邻的任一边是一个空闲块，则将这两个块合为一个更大的块，以减少内存碎片。

四、实现

以下为《C语言程序设计语言》中给出的一种实现方法

1、malloc的实现

typedef union header Header;
static Header base;/*从空链表开始*/
static Header *freep = NULL;/*空闲链表的初始指针*/

void *malloc(unsigned nbytes)
{
   Header *p, *prevp;
   Header *morecore(unsigned);
   unsigned nunits;

   nunits = (nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header) + 1;
   if((prevp = freep) == NULL) /* 没有空闲链表 */
   {
       base.s.ptr = freep = prevp = &base;
       base.s.size = 0;
   }
   for(p = prevp->s.ptr; ;prevp = p, p= p->s.ptr)
   {
       if(p->s.size >= nunits) /* 足够大 */
       {
           if (p->s.size == nunits) /* 正好 */
               prevp->s.ptr = p->s.ptr;
           else /*分配末尾部分*/
           {
               p->s.size -= nunits;
               p += p->s.size;
               p->s.size = nunits;
           }
           freep = prevp;
           return (void*)(p+1);
       }
       if (p== freep) /* 闭环的空闲链表*/
           if ((p = morecore(nunits)) == NULL)
               return NULL; /* 没有剩余的存储空间 */
   }
}
说明：

（1）malloc实际分配的空间是Header大小的整数倍，并且多出一个Header空间用于放置Header

（2）式nunits = (nbytes+sizeof(Header)-1)/sizeof(Header) + 1中的减1是为了防止(nbytes+sizeof(Header))%sizeof(Header) == 0时，多分配了一个Header大小的空间

（3）第一次调用malloc函数时，freep为NULL，系统将创建一个退化的空闲链表，它只包含一个大小为0的块，且该块指向自己。任何时候，当请求空闲空间时，都将搜索空闲块链表。搜索从上一次找到空闲块的地方（freep）开始。该策略可以保证链表是均匀的。如果找到的块太大，则将其尾部返回给用户，这样，初始块的头部只需要修改size字段即可。

（4）任何时候，返回给用户的指针都指向块内的空闲存储空间，即比指向头部的指针大一个单元。

（5）sbrk不是系统调用，是C库函数。sbrk/brk是从堆中分配空间，本质是移动一个位置，向后移就是分配空间，向前移就是释放空间，sbrk用相对的整数值确定位置，如果这个整数是正数，会从当前位置向后移若干字节，如果为负数就向前若干字节。在任何情况下，返回值永远是移动之前的位置。在LINUX中sbrk(0)能返回比较精确的虚拟内存使用情况。链接：sbrk()/brk()--改变数据长度

（6）链接:brk()分配过程

2、morecore的实现

函数morecore用来向操作系统请求存储空间，其实现细节因系统的不同而不同。因为向系统请求存储空间是一个开销很大的操作，因此我们不希望每次调用malloc时都执行该操作，基于这个考虑，morecore函数请求至少NALLOC个单元。这个较大的块将根据需要分成较小的块。在设置完size字段后，morecore函数调用free函数把多余的存储空间插入到空闲区域中。

#define NALLOC 1024 /* 最小申请单元数 */
static Header *morecore(unsigned nu)
{
char *cp;
Header *up;
if(nu < NALLOC)
nu = NALLOC;
cp = sbrk(nu * sizeof(Header));
if(cp == (char *)-1) /* 没有空间*/
return NULL;
up = (Header *)cp;
up->s.size = nu;
free((void *)(up+1));
return freep;
}
说明：

（1）没有存储空间时sbrk调用返回-1.因此需要将-1强制类型转换为char*类型，以便与返回值进行比较。而且，强制类型转换使得函数不会受不同机器中指针表示的不同的影响。

3、free的实现

free函数从freep指向的地址开始，逐个扫描空闲链表，寻找可以插入空闲块的地方。该位置可能在链表的末尾或者两个空闲块之间。在任何一种情况下，如果被释放的块与另一空闲块相邻，则将这两个块合并。

void free(void *ap)
{
   Header *bp,*p;
   bp = (Header *)ap -1; /* 指向块头 */
   for(p=freep;!(bp>p && bp< p->s.ptr);p=p->s.ptr)
       if(p>=p->s.ptr && (bp>p || bp<p->s.ptr))
           break; /* 被释放的块在链表的开头或结尾*/
   if (bp+bp->s.size==p->s.ptr) /*与上一相邻块合并 */
   {
       bp->s.size += p->s.ptr->s.size;
       bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;
   }
   else
       bp->s.ptr = p->s.ptr;
   if (p+p->s.size == bp)/* 与下一相邻块合并 */
   {
       p->s.size += bp->s.size;
       p->s.ptr = bp->s.ptr;
   }
   else
       p->s.ptr = bp;
   freep = p;
}
五、注意事项