malloc函数的一种简单的原理性实现

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-11-14 00:46 97阅读 0赞

**malloc（）是C语言中动态存储管理的一组标准库函数之一。其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为size的连续空间。其参数是一个无符号整形数，返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针**

**malloc（）工作机制**

**　　**malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。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（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。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）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链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以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。

malloc（）在操作系统中的实现

在 C 程序中，多次使用malloc () 和 free()。不过，您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示 malloc 和 free 的一个最简化实现的代码，来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。  
　　在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：  
　　void \*malloc (long numbytes)：该函数负责分配 numbytes 大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。  
　　void free(void \*firstbyte)：如果给定一个由先前的 malloc 返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。

malloc\_init 将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：

![None.gif][]        //清单 1. 我们的简单分配程序的全局变量  
![None.gif][]  
![None.gif][]        int has\_initialized = 0;  
![None.gif][]        void \*managed\_memory\_start;  
![None.gif][]        void \*last\_valid\_address;

如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者 当前中断点。在很多 UNIX? 系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用 sbrk(0) 函数。 sbrk 根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数 0 只是返回当前中断点。这里是我们的 malloc 初始化代码，它将找到当前中断点并初始化我们的变量：

清单 2. 分配程序初始化函数  
/\* Include the sbrk function \*/  
   
\#include   
void malloc\_init()  
\{  
/\* grab the last valid address from the OS \*/  
last\_valid\_address = sbrk(0);  
/\* we don''t have any memory to manage yet, so  
 \*just set the beginning to be last\_valid\_address  
 \*/  
managed\_memory\_start = last\_valid\_address;  
/\* Okay, we''re initialized and ready to go \*/  
 has\_initialized = 1;  
\}

现在，为了完全地管理内存，我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了 free 调用之后，我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情，并且，在调用 malloc 时，我们要能够定位未被使用的内存块。因此， malloc 返回的每块内存的起始处首先要有这个结构：

//清单 3. 内存控制块结构定义  
struct mem\_control\_block \{  
    int is\_available;  
    int size;  
\};

现在，您可能会认为当程序调用 malloc 时这会引发问题 —— 它们如何知道这个结构？答案是它们不必知道；在返回指针之前，我们会将其移动到这个结构之后，把它隐藏起来。这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的内存。那样，从调用程序的角度来看，它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后，当通过 free() 将该指针传递回来时，我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。

在讨论分配内存之前，我们将先讨论释放，因为它更简单。为了释放内存，我们必须要做的惟一一件事情就是，获得我们给出的指针，回退 sizeof(struct mem\_control\_block) 个字节，并将其标记为可用的。这里是对应的代码：

清单 4. 解除分配函数  
void free(void \*firstbyte) \{  
    struct mem\_control\_block \*mcb;  
/\* Backup from the given pointer to find the  
 \* mem\_control\_block  
 \*/  
   mcb = firstbyte \- sizeof(struct mem\_control\_block);  
/\* Mark the block as being available \*/  
  mcb\->is\_available = 1;  
/\* That''s It!  We''re done. \*/  
  return;  
\}

如您所见，在这个分配程序中，内存的释放使用了一个非常简单的机制，在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码：

//清单 6. 主分配程序  
void \*malloc(long numbytes) \{  
    /\* Holds where we are looking in memory \*/  
    void \*current\_location;  
    /\* This is the same as current\_location, but cast to a  
    \* memory\_control\_block  
    \*/  
    struct mem\_control\_block \*current\_location\_mcb;  
    /\* This is the memory location we will return.  It will  
    \* be set to 0 until we find something suitable  
    \*/  
    void \*memory\_location;  
    /\* Initialize if we haven''t already done so \*/  
    if(! has\_initialized) \{  
        malloc\_init();  
    \}  
    /\* The memory we search for has to include the memory  
    \* control block, but the users of malloc don''t need  
    \* to know this, so we''ll just add it in for them.  
    \*/  
    numbytes = numbytes \+ sizeof(struct mem\_control\_block);  
    /\* Set memory\_location to 0 until we find a suitable  
    \* location  
    \*/  
    memory\_location = 0;  
    /\* Begin searching at the start of managed memory \*/  
    current\_location = managed\_memory\_start;  
    /\* Keep going until we have searched all allocated space \*/  
    while(current\_location != last\_valid\_address)  
    \{  
    /\* current\_location and current\_location\_mcb point  
    \* to the same address.  However, current\_location\_mcb  
    \* is of the correct type, so we can use it as a struct.  
    \* current\_location is a void pointer so we can use it  
    \* to calculate addresses.  
        \*/  
        current\_location\_mcb =  
            (struct mem\_control\_block \*)current\_location;  
        if(current\_location\_mcb\->is\_available)  
        \{  
            if(current\_location\_mcb\->size >= numbytes)  
            \{  
            /\* Woohoo!  We''ve found an open,  
            \* appropriately-size location.  
                \*/  
                /\* It is no longer available \*/  
                current\_location\_mcb\->is\_available = 0;  
                /\* We own it \*/  
                memory\_location = current\_location;  
                /\* Leave the loop \*/  
                break;  
            \}  
        \}  
        /\* If we made it here, it''s because the Current memory  
        \* block not suitable; move to the next one  
        \*/  
        current\_location = current\_location \+  
            current\_location\_mcb\->size;  
    \}  
    /\* If we still don''t have a valid location, we''ll  
    \* have to ask the operating system for more memory  
    \*/  
    if(! memory\_location)  
    \{  
        /\* Move the program break numbytes further \*/  
        sbrk(numbytes);  
        /\* The new memory will be where the last valid  
        \* address left off  
        \*/  
        memory\_location = last\_valid\_address;  
        /\* We''ll move the last valid address forward  
        \* numbytes  
        \*/  
        last\_valid\_address = last\_valid\_address \+ numbytes;  
        /\* We need to initialize the mem\_control\_block \*/  
        current\_location\_mcb = memory\_location;  
        current\_location\_mcb\->is\_available = 0;  
        current\_location\_mcb\->size = numbytes;  
    \}  
    /\* Now, no matter what (well, except for error conditions),  
    \* memory\_location has the address of the memory, including  
    \* the mem\_control\_block  
    \*/  
    /\* Move the pointer past the mem\_control\_block \*/  
    memory\_location = memory\_location \+ sizeof(struct mem\_control\_block);  
    /\* Return the pointer \*/  
    return memory\_location;  
 \}

这就是我们的内存管理器。现在，我们只需要构建它，并在程序中使用它即可.多次调用malloc（）后空闲内存被切成很多的小内存片段，这就使得用户在申请内存使用时，由于找不到足够大的内存空间，malloc（）需要进行内存整理，使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为2的幂的内存块，而最大限度地降低潜在的malloc性能丧失。也就是说，所分配的内存块大小为4字节、8字节、16字节、18446744073709551616字节，等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段（各种尺寸的小片段都有）的数量。尽管看起来这好像浪费了空间，但也容易看出浪费的空间永远不会超过50%。

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malloc函数   
函数声明(函数原型)：   
void \*malloc(int size);   
说明：malloc 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void\* 类型。void\* 表示未确定类型的指针。C,C++规定，void\* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。   
从函数声明上可以看出。malloc 和 new 至少有两个不同: new 返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。比如：   
int \*p;   
p = new int; //返回类型为int\* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int);   
或：   
int\* parr;   
parr = new int \[100\]; //返回类型为 int\* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int) \* 100;   
而 malloc 则必须由我们计算要字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。   
int\* p;   
p = (int \*) malloc (sizeof(int));   
第一、malloc 函数返回的是 void \* 类型，如果你写成：p = malloc (sizeof(int)); 则程序无法通过编译，报错：“不能将 void\* 赋值给 int \* 类型变量”。所以必须通过 (int \*) 来将强制转换。   
第二、函数的实参为 sizeof(int) ，用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成：   
int\* p = (int \*) malloc (1);   
代码也能通过编译，但事实上只分配了1个字节大小的内存空间，当你往里头存入一个整数，就会有3个字节无家可归，而直接“住进邻居家”！造成的结果是后面的内存中原有数据内容全部被清空。   
malloc 也可以达到 new \[\] 的效果，申请出一段连续的内存，方法无非是指定你所需要内存大小。   
比如想分配100个int类型的空间：   
int\* p = (int \*) malloc ( sizeof(int) \* 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。   
另外有一点不能直接看出的区别是，malloc 只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。   
除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过malloc或new得到指针，在其它操作上保持一致。

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有了malloc/free 为什么还要new/delete ？  
malloc 与free 是C++/C 语言的标准库函数，new/delete 是C++的运算符。它们都可  
用于申请动态内存和释放内存。  
对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象  
在创建的同时要自动执行构造函数， 对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于  
malloc/free 是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数  
和析构函数的任务强加于malloc/free。  
因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个  
能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete 不是库函数。  
我们先看一看malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理，见示例7-8。  
class Obj  
\{  
public :  
Obj(void)\{ cout << “Initialization” << endl; \}  
~Obj(void)\{ cout << “Destroy” << endl; \}  
void Initialize(void)\{ cout << “Initialization” << endl; \}  
void Destroy(void)\{ cout << “Destroy” << endl; \}  
\};  
void UseMallocFree(void)  
\{  
Obj \*a = (obj \*)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存  
a->Initialize(); // 初始化  
//…  
a->Destroy(); // 清除工作  
free(a); // 释放内存  
\}  
void UseNewDelete(void)  
\{  
Obj \*a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化  
//…  
delete a; // 清除并且释放内存  
\}  
示例7-8 用malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理  
类Obj 的函数Initialize 模拟了构造函数的功能，函数Destroy 模拟了析构函数的功  
能。函数UseMallocFree 中，由于malloc/free 不能执行构造函数与析构函数，必须调用  
成员函数Initialize 和Destroy 来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete 则简单得

多。  
所以我们不要企图用malloc/free 来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。  
由于内部数据类型的“ 对象”没有构造与析构的过程，对它们而言malloc/free 和  
new/delete 是等价的。  
既然new/delete 的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free 淘  
汰出局呢？这是因为C++程序经常要调用C 函数，而C 程序只能用malloc/free 管理动  
态内存。  
如果用free 释放“new 创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能  
导致程序出错。如果用delete 释放“malloc 申请的动态内存”，理论上讲程序不会出错，  
但是该程序的可读性很差。所以new/delete 必须配对使用，malloc/free 也一样。

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