C語言中malloc是動態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)。
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函數(shù)原型：void *malloc(unsigned int num_bytes)。
參數(shù)：num_bytes 是無符號整型，用于表示分配的字節(jié)數(shù)。
注意：當(dāng)內(nèi)存不再使用時，應(yīng)使用free()函數(shù)將內(nèi)存塊釋放。函數(shù)返回的指針一定要適當(dāng)對齊，使其可以用于任何數(shù)據(jù)對象。關(guān)于該函數(shù)的原型，在以前malloc返回的是char型指針，新的ANSIC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該函數(shù)返回為void型指針，因此必要時要進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。
實現(xiàn)malloc的方法：
首先我們要確定所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個簡單可行方案是將堆內(nèi)存空間以塊的形式組織起來，每個塊由meta區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)組成，meta區(qū)記錄數(shù)據(jù)塊的元信息（數(shù)據(jù)區(qū)大小、空閑標(biāo)志位、指針等等）。
數(shù)據(jù)區(qū)是真實分配的內(nèi)存區(qū)域，并且數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)地址即為malloc返回的地址 。
c語言中malloc函數(shù)和realloc函數(shù)的區(qū)別為：分配不同、釋放不同、強(qiáng)制轉(zhuǎn)化不同。
一、分配不同
1、malloc函數(shù)：malloc函數(shù)對沒有分配過的內(nèi)存塊直接進(jìn)行分配。
2、realloc函數(shù)：realloc函數(shù)是在已經(jīng)分配好的內(nèi)存塊重新進(jìn)行分配。
二、釋放不同
1、malloc函數(shù)：malloc函數(shù)分配好的內(nèi)存塊一般要用free(size_t size)來釋放內(nèi)存塊。
2、realloc函數(shù)：realloc函數(shù)分配好的內(nèi)存塊不需要用free(size_t size)來釋放內(nèi)存塊。
三、強(qiáng)制轉(zhuǎn)化不同
1、malloc函數(shù)：malloc函數(shù)需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)化。
2、realloc函數(shù)：realloc函數(shù)不需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)化。
相同點：都會分配內(nèi)存
不同點：
（1）如果構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，則new和delete會分別調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，malloc和free則不會
（2）malloc和free是函數(shù)，而new和delete是運算符
動態(tài)內(nèi)存分配即分配內(nèi)存大小在運行時才確定，一般在堆中分配。
C語言動態(tài)內(nèi)存分配相關(guān)的函數(shù)如下幾個：malloc、calloc、realloc、free；
malloc函數(shù)的使用比較直接，一個成功的malloc調(diào)用返回分配的size大小的內(nèi)存的指針。失敗時返回NULL并將錯誤代碼置為ENOMEM。
calloc函數(shù)可以分配nr個size大小的內(nèi)存空間，一般用于一組struct結(jié)構(gòu)體的分配。
realloc函數(shù)將ptr指向的內(nèi)存空間重新分配大小為size并返回新的內(nèi)存首地址。
free函數(shù)釋放前三個函數(shù)申請的內(nèi)存空間，所以，使用前三個分配函數(shù)分配的內(nèi)存一定要free掉。
malloc() 函數(shù)用來動態(tài)地分配內(nèi)存空間，其原型為：void* malloc (size_t size);
說明：
【參數(shù)說明】
size 為需要分配的內(nèi)存空間的大小，以字節(jié)（Byte）計。
【函數(shù)說明】
malloc() 在堆區(qū)分配一塊指定大小的內(nèi)存空間，用來存放數(shù)據(jù)。這塊內(nèi)存空間在函數(shù)執(zhí)行完成后不會被初始化，它們的值是未知的。如果希望在分配內(nèi)存的同時進(jìn)行初始化，請使用 calloc() 函數(shù)。
【返回值】
分配成功返回指向該內(nèi)存的地址，失敗則返回 NULL。
操作：
由于申請內(nèi)存空間時可能有也可能沒有，所以需要自行判斷是否申請成功，再進(jìn)行后續(xù)操作。
如果 size 的值為 0，那么返回值會因標(biāo)準(zhǔn)庫實現(xiàn)的不同而不同，可能是 NULL，也可能不是，但返回的指針不應(yīng)該再次被引用。
注意：函數(shù)的返回值類型是 void *，void 并不是說沒有返回值或者返回空指針，而是返回的指針類型未知。所以在使用 malloc() 時通常需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，將 void 指針轉(zhuǎn)換成我們希望的類型，例如：
#includestdlib.h
typedef int ListData;
ListData *data; ?//存儲空間基址
data = ( ListData * ) malloc( 100 * sizeof ( ListData ) );
擴(kuò)展資料
實現(xiàn)malloc的方法：
(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
首先我們要確定所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個簡單可行方案是將堆內(nèi)存空間以塊的形式組織起來，每個塊由meta區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)組成，meta區(qū)記錄數(shù)據(jù)塊的元信息（數(shù)據(jù)區(qū)大小、空閑標(biāo)志位、指針等等）。
數(shù)據(jù)區(qū)是真實分配的內(nèi)存區(qū)域，并且數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)地址即為malloc返回的地址 。
（2）尋找合適的block
現(xiàn)在考慮如何在block鏈中查找合適的block。一般來說有兩種查找算法：
First fit:從頭開始，使用第一個數(shù)據(jù)區(qū)大小大于要求size的塊所謂此次分配的塊
Best fit:從頭開始，遍歷所有塊，使用數(shù)據(jù)區(qū)大小大于size且差值最小的塊作為此次分配的塊
兩種方式各有千秋，best fit有較高的內(nèi)存使用率（payload較高），而first fit具有較高的運行效率。這里我們采用first fit算法。
（3）開辟新的block?
如果現(xiàn)有block都不能滿足size的要求，則需要在鏈表最后開辟一個新的block。
（4）分裂block?
First fit有一個比較致命的缺點，就是可能會讓更小的size占據(jù)很大的一塊block，此時，為了提高payload,應(yīng)該在剩余數(shù)據(jù)區(qū)足夠大的情況下，將其分裂為一個新的block。
（5）malloc的實現(xiàn)
有了上面的代碼，我們就可以實現(xiàn)一個簡單的malloc.注意首先我們要定義個block鏈表的頭first_block,初始化為NULL；另外，我們需要剩余空間至少有BLOCK_SIZE+8才執(zhí)行分裂操作
由于我們需要malloc分配的數(shù)據(jù)區(qū)是按8字節(jié)對齊，所以size不為8的倍數(shù)時，我們需要將size調(diào)整為大于size的最小的8的倍數(shù)。
Windows下的 malloc 原理就是調(diào)用 windows API 的各種內(nèi)存管理函數(shù)申請內(nèi)存并記錄內(nèi)存狀態(tài)以便將來釋放。
DOS下的 malloc 原理就是調(diào)用申請內(nèi)存的中斷申請內(nèi)存并記錄內(nèi)存狀態(tài)以便將來釋放。
UNIX 和 Linux 都有內(nèi)存管理的系統(tǒng)調(diào)用，malloc 相當(dāng)于給這些系統(tǒng)調(diào)用穿了一件
malloc（）工作機(jī)制
malloc函數(shù)的實質(zhì)體現(xiàn)在，它有一個將可用的內(nèi)存塊連接為一個長長的列表的所謂空閑鏈表。調(diào)用malloc函數(shù)時，它沿連接表尋找一個大到足以滿足用戶請求所需要的內(nèi)存塊。然后，將該內(nèi)存塊一分為二（一塊的大小與用戶請求的大小相等，另一塊的大小就是剩下的字節(jié)）。接下來，將分配給用戶的那塊內(nèi)存?zhèn)鹘o用戶，并將剩下的那塊（如果有的話）返回到連接表上。調(diào)用free函數(shù)時，它將用戶釋放的內(nèi)存塊連接到空閑鏈上。到最后，空閑鏈會被切成很多的小內(nèi)存片段，如果這時用戶申請一個大的內(nèi)存片段，那么空閑鏈上可能沒有可以滿足用戶要求的片段了。于是，malloc函數(shù)請求延時，并開始在空閑鏈上翻箱倒柜地檢查各內(nèi)存片段，對它們進(jìn)行整理，將相鄰的小空閑塊合并成較大的內(nèi)存塊。
malloc（）在操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)
在 C 程序中，多次使用malloc () 和 free()。不過，您可能沒有用一些時間去思考它們在您的操作系統(tǒng)中是如何實現(xiàn)的。本節(jié)將向您展示 malloc 和 free 的一個最簡化實現(xiàn)的代碼，來幫助說明管理內(nèi)存時都涉及到了哪些事情。
在大部分操作系統(tǒng)中，內(nèi)存分配由以下兩個簡單的函數(shù)來處理：
void *malloc (long numbytes)：該函數(shù)負(fù)責(zé)分配 numbytes 大小的內(nèi)存，并返回指向第一個字節(jié)的指針。
void free(void *firstbyte)：如果給定一個由先前的 malloc 返回的指針，那么該函數(shù)會將分配的空間歸還給進(jìn)程的“空閑空間”。
malloc_init 將是初始化內(nèi)存分配程序的函數(shù)。它要完成以下三件事：將分配程序標(biāo)識為已經(jīng)初始化，找到系統(tǒng)中最后一個有效內(nèi)存地址，然后建立起指向我們管理的內(nèi)存的指針。這三個變量都是全局變量：
//清單 1. 我們的簡單分配程序的全局變量
int has_initialized = 0;
void *managed_memory_start;
void *last_valid_address;
如前所述，被映射的內(nèi)存的邊界（最后一個有效地址）常被稱為系統(tǒng)中斷點或者 當(dāng)前中斷點。在很多 UNIX? 系統(tǒng)中，為了指出當(dāng)前系統(tǒng)中斷點，必須使用 sbrk(0) 函數(shù)。 sbrk 根據(jù)參數(shù)中給出的字節(jié)數(shù)移動當(dāng)前系統(tǒng)中斷點，然后返回新的系統(tǒng)中斷點。使用參數(shù) 0 只是返回當(dāng)前中斷點。這里是我們的 malloc 初始化代碼，它將找到當(dāng)前中斷點并初始化我們的變量：
清單 2. 分配程序初始化函數(shù)
#include
void malloc_init()
{
last_valid_address = sbrk(0);
managed_memory_start = last_valid_address;
has_initialized = 1;
}
現(xiàn)在，為了完全地管理內(nèi)存，我們需要能夠追蹤要分配和回收哪些內(nèi)存。在對內(nèi)存塊進(jìn)行了 free 調(diào)用之后，我們需要做的是諸如將它們標(biāo)記為未被使用的等事情，并且，在調(diào)用 malloc 時，我們要能夠定位未被使用的內(nèi)存塊。因此， malloc 返回的每塊內(nèi)存的起始處首先要有這個結(jié)構(gòu)：
//清單 3. 內(nèi)存控制塊結(jié)構(gòu)定義
struct mem_control_block {
int is_available;
int size;
};
現(xiàn)在，您可能會認(rèn)為當(dāng)程序調(diào)用 malloc 時這會引發(fā)問題 —— 它們?nèi)绾沃肋@個結(jié)構(gòu)？答案是它們不必知道；在返回指針之前，我們會將其移動到這個結(jié)構(gòu)之后，把它隱藏起來。這使得返回的指針指向沒有用于任何其他用途的內(nèi)存。那樣，從調(diào)用程序的角度來看，它們所得到的全部是空閑的、開放的內(nèi)存。然后，當(dāng)通過 free() 將該指針傳遞回來時，我們只需要倒退幾個內(nèi)存字節(jié)就可以再次找到這個結(jié)構(gòu)。
在討論分配內(nèi)存之前，我們將先討論釋放，因為它更簡單。為了釋放內(nèi)存，我們必須要做的惟一一件事情就是，獲得我們給出的指針，回退 sizeof(struct mem_control_block) 個字節(jié)，并將其標(biāo)記為可用的。這里是對應(yīng)的代碼：
清單 4. 解除分配函數(shù)
void free(void *firstbyte) {
struct mem_control_block *mcb;
mcb = firstbyte - sizeof(struct mem_control_block);
mcb-is_available = 1;
return;
}
如您所見，在這個分配程序中，內(nèi)存的釋放使用了一個非常簡單的機(jī)制，在固定時間內(nèi)完成內(nèi)存釋放。分配內(nèi)存稍微困難一些。我們主要使用連接的指針遍歷內(nèi)存來尋找開放的內(nèi)存塊。這里是代碼：
//清單 6. 主分配程序
void *malloc(long numbytes) {
void *current_location;
struct mem_control_block *current_location_mcb;
void *memory_location;
if(! has_initialized) {
malloc_init();
}
numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block);
memory_location = 0;
current_location = managed_memory_start;
while(current_location != last_valid_address)
{
current_location_mcb =
(struct mem_control_block *)current_location;
if(current_location_mcb-is_available)
{
if(current_location_mcb-size = numbytes)
{
current_location_mcb-is_available = 0;
memory_location = current_location;
break;
}
}
current_location = current_location +
current_location_mcb-size;
}
if(! memory_location)
{
sbrk(numbytes);
memory_location = last_valid_address;
last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
current_location_mcb = memory_location;
current_location_mcb-is_available = 0;
current_location_mcb-size = numbytes;
}
memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block);
return memory_location;
}
這就是我們的內(nèi)存管理器。現(xiàn)在，我們只需要構(gòu)建它，并在程序中使用它即可.多次調(diào)用malloc（）后空閑內(nèi)存被切成很多的小內(nèi)存片段，這就使得用戶在申請內(nèi)存使用時，由于找不到足夠大的內(nèi)存空間，malloc（）需要進(jìn)行內(nèi)存整理，使得函數(shù)的性能越來越低。聰明的程序員通過總是分配大小為2的冪的內(nèi)存塊，而最大限度地降低潛在的malloc性能喪失。也就是說，所分配的內(nèi)存塊大小為4字節(jié)、8字節(jié)、16字節(jié)、 18446744073709551616字節(jié)，等等。這樣做最大限度地減少了進(jìn)入空閑鏈的怪異片段（各種尺寸的小片段都有）的數(shù)量。盡管看起來這好像浪費了空間，但也容易看出浪費的空間永遠(yuǎn)不會超過50%。
重慶分公司
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