C中堆管理

内存区域可以分为栈，堆，静态存储区和常量存储区。局部变量，函数形参，临时变量都是在栈上获得内存的，它们获取的方式都是由编译器自动执行的。

C 标准函数库提供了许多函数来实现对堆上内存管理，其中包括：malloc函数，free函数，calloc函数和realloc函数。使用这些函数需要包含头文件stdlib.h

堆中的所有东西都是匿名的，不能按名字直接访问，只能通过指针间接访问

C语言跟内存分配方式

（1） 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

（2） 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

（3）从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多

C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloca,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.其中alloca是向栈申请内存,因此无需释放. malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间. calloc则将初始化这部分的内存,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整.申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小;

malloc/calloc/free基本上都是C函数库实现的,跟OS无关.

C函数库内部通过一定的结构来保存当前有多少可用内存.如果程序malloc的大小超出了库里所留存的空间,那么将首先调用brk系统调用来增加可用空间,然后再分配空间.free时,释放的内存并不立即返回给os,而是保留在内部结构中. 

可以打个比方: brk类似于批发,一次性的向OS申请大的内存,而malloc等函数则类似于零售,满足程序运行时的要求.这套机制类似于缓冲.使用这套机制的原因:系统调用不能支持任意大小的内存分配(有的系统调用只支持固定大小以及其倍数的内存申请,这样的话,对于小内存的分配会造成浪费; 系统调用申请内存代价昂贵,涉及到用户态和核心态的转换.

1.   malloc函数

malloc函数可以从堆上获得指定字节的内存空间，其函数声明如下：

void * malloc(int n);

其中，形参n为要求分配的字节数。如果函数执行成功，malloc返回获得内存空间的首地址；如果函数执行失败，那么返回值为NULL。由于malloc函数值的类型为void型指针，因此，可以将其值类型转换后赋给任意类型指针，这样就可以通过操作该类型指针来操作从堆上获得的内存空间。

     需要注意的是,malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。因此，一般在使用该内存空间时，要调用另一个函数memset来将其初始化为全0。memset函数的声明如下：

    void * memset (void * p,int c,int n) ;

       该函数可以将指定的内存空间按字节单位置为指定的字符c。其中，p为要清零的内存空间的首地址，c为要设定的值，n为被操作的内存空间的字节长度。如果要用memset清0，变量c实参要为0。

malloc函数和memset函数的操作语句一般如下：

int * p=NULL;p=(int *)malloc(sizeof(int));if(p==NULL)    printf(“Can’t get memory!\n”);memset(p,0,siezeof(int)); //注意：通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化。

demo:

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>int main(){     int * p=NULL;     p=(int *)malloc(sizeof(int));     if(NULL==p){         printf("Can't get memory!\n");         return -1;     }     printf("%d\n",*p);           //输出分配的空间上的值     memset(p,0,sizeof(int));     //将p指向的空间清0     printf("%d\n",*p);           //输出调用memset函数后的结果     *p=2;     printf("%d\n",*p);     return 0;}

2. free函数

       从堆上获得的内存空间在程序结束以后，系统不会将其自动释放，需要程序员来自己管理。一个程序结束时，必须保证所有从堆上获得的内存空间已被安全释放，否则，会导致内存泄露。例如上面的demo就会发生内存泄露。

free函数可以实现释放内存的功能。其函数声明为：

void free (void * p);

由于形参为void指针，free函数可以接受任意类型的指针实参。

    但是，free函数只是释放指针指向的内容，而该指针仍然指向原来指向的地方，此时，指针为野指针，如果此时操作该指针会导致不可预期的错误。安全做法是：在使用free函数释放指针指向的空间之后，将指针的值置为NULL。因此，对于上面的demo，需要在return语句前加入以下两行语句：

注意：使用malloc函数分配的堆空间在程序结束之前必须释放

3. calloc函数

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存。其函数声明如下：

void *calloc(int n,int size);

函数返回值为void型指针。如果执行成功，函数从堆上获得size X n的字节空间，并返回该空间的首地址。如果执行失败，函数返回NULL。该函数与malloc函数的一个显著不同时是，calloc函数得到的内存空间是经过初始化的，其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将n设置为数组的容量。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define SIZE 5int main(){     int * p=NULL;     int i=0;          p=(int *)calloc(SIZE,sizeof(int));//为p从堆上分配SIZE个int型空间    if(NULL==p){         printf("Error in calloc.\n");         return -1;     }     for(i=0;i<SIZE;i++)//为p指向的SIZE个int型空间赋值         p[i]=i;     for(i=0;i<SIZE;i++)//输出各个空间的值         printf("p[%d]=%d\n",i,p[i]);     free(p);     p=NULL;     return 0;}

提示：calloc函数的分配的内存也需要自行释放。

4. realloc函数

realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富，可以实现内存分配和内存释放的功能，其函数声明如下：

void * realloc(void * p,int n);

其中，指针p必须为指向堆内存空间的指针，即由malloc函数、calloc函数或realloc函数分配空间的指针。realloc函数将指针p指向的内存块的大小改变为n字节。如果n小于或等于p之前指向的空间大小，那么。保持原有状态不变。如果n大于原来p之前指向的空间大小，那么，系统将重新为p从堆上分配一块大小为n的内存空间，同时，将原来指向空间的内容依次复制到新的内存空间上，p之前指向的空间被释放。relloc函数分配的空间也是未初始化的。

注意：使用malloc函数，calloc函数和realloc函数分配的内存空间都要使用free函数或指针参数为NULL的realloc函数来释放。

另外：堆的末端由一个break指针来标识，当堆管理器需要更多内存时，它可以通过系统调用brk和sbrk来移动break指针。不必显示地调用brk，brk会被自动调用

注意：如果要使用realloc函数分配的内存，必须使用memset函数对其内存初始化