malloc、calloc、realloc函数剖析

1.      C语言内存分配方式：

<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，用户负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由用户决定，使用非常灵活，但问题也最多。

2.      C语言与内存申请相关的函数主要有 alloca、calloc、malloc、free、realloc等

<1>alloca是向栈申请内存,因此无需释放。
<2>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。
<3>calloc则将初始化这部分的内存,设置为0。
<4>realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整。
<5>申请的内存最终需要通过函数free来释放。
      当程序运行过程中调用malloc,但是没有free的话,会造成内存泄漏。一部分的内存没有被使用,但是由于没有free,因此系统认为这部分内存还在使用,造成不断的向系统申请内存,使得系统可用内存不断减少。但是内存泄漏仅仅指程序在运行时,程序退出时,OS将回收所有的资源。因此,适当的重起一下程序,有时候还是有点作用。

3.      malloc、calloc、realloc函数的区别：

<1>三个函数的申明分别是: 

    void* realloc(void* ptr, unsigned newsize); //在内存的动态存储区中分配一块长度为“size”字节的连续区域，返回该区域的首地址。
    void* malloc(unsigned size); //在内存的动态存储区中分配n块长度为“size”字节的连续区域，返回首地址。
    void* calloc(size_t numElements,size_t sizeOfElement); //将ptr内存大小增大到size。
    都在stdlib.h函数库内，它们的返回值都是请求系统分配的地址,如果请求失败就返回NULL 。

<2> 三者申请的地址类型

1) malloc用于申请一段新的地址,参数size为需要内存空间的长度,如:

           char* p;

           p=(char*)malloc(sizeof(char)* 20);//申请20字节的空间

2) calloc与malloc相似,参数sizeOfElement为申请地址的单位元素长度,numElements为元素个数,如:

            char* p;

            p=(char*)calloc(20,sizeof(char));

这个例子与上一个效果相同。

3) realloc是给一个已经分配了地址的指针重新分配空间,参数ptr为原有的空间地址,newsize是重新申请的地址长度 如:

           char* p;

           p=(char*)malloc(sizeof(char)*20);

           p=(char*)realloc(p,sizeof(char)*40);

注意，这里的空间长度都是以字节为单位。

<3> 从初始化角度

1) 函数malloc不能初始化所分配的内存空间,而函数calloc能.如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过，则其中的每一位可能都是0;反之, 如果这部分内存曾经被分配过,则其中可能遗留有各种各样的数据.也就是说，使用malloc()函数的程序开始时(内存空间还没有被重新分配)能正常进行,但经过一段时间(内存空间还已经被重新分配)可能会出现问题。

2)函数calloc() 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零,也就是说,如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存,那么这些元素将保证会被初始化为0;如果你是为指针类型的元素分配内存,那么这些元素通常会被初始化为空指针;如果你为实型数据分配内存,则这些元素会被初始化为浮点型的零。

3) realloc可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变.当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失.realloc并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址.相反，realloc返回的指针很可能指向一个新的地址。

4.      实现原理

<1>malloc、calloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存连接为一个长长的链表（即所谓的空闲链表）。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块，然后将该内存块一分为二（一块的大小与用户申请的大小一样，另一块就是剩下的字节），接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话），返回到链表上，调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空链上，到最后，空闲链表会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可能满足用户要求的片段了，于是malloc函数请求延时，并开始在空间中翻箱倒柜的检查内存片段，对它们进行整理，并将相邻的小空闲块合成较大的内存块

<2>realloc是从堆空间上分配内存，当扩大一块内存空间时，realloc试图直接从现存的数据后面的哪些字节中获得附加的字节，如果能够满足，自然天下太平，那么如果后面的字节不够，问题就来了，那么就使用堆上第一个足够满足要求的自由空间块，现存的数据然后就被拷贝到新的位置上，而老块则放回堆空间，这句话传递的一个很重要的信息就是数据可能被移动。