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什么是堆内存?堆内存是如何分配的?

电子工程师 来源:单片机匠人 作者:蔡琰老师 2021-07-05 17:58 次阅读

上一篇我们分享了栈内存的概念,现在我们分享下堆内存的概念。

在一般的编译系统中,堆内存的分配方向和栈内存是相反的。当栈内存从高地址向低地址增长的时候,堆内存从低地址向高地址分配。

C语言中,堆内存在分配和释放的时候,是程序通过调用C语言的库函数完成的。这和栈内存的分配有区别,栈内存利用的是处理器的硬件机制,而堆内存的处理使用的是库函数。

我们来看下堆内存的分配情况:

在堆内存的分配过程中,每次分配将返回一个当前分配地址的指针。在程序中如果多次分配内存,可以得到多个内存指针,每个内存指针都是本次分配内存的地址。在释放内存的时候,只需要对每个指针进行操作,那个指针所指向的内存就会被释放,而对其他的内存区域没有影响。

从内存的分配和使用上,可以看出栈内存和堆内存的区别:栈内存只有一个入口点,就是栈指针,栈内存压入和弹出的时候栈指针将发生变化,栈指针标识当前栈区域中已使用和未使用的界限,程序在访问栈内存的时候都只能通过栈指针及其偏移量;而堆内存有多个入口点,每次分配得到的指针是访问内存的入口,每个分配内存区域都可以被单独释放,程序对堆内存可以通过每次分配得到的指针访问。

堆内存有一个整体分配的过程,按照向上的堆内存分配方向。随着堆内存使用量的增加,堆内存将逐渐向高地址分配。这只是一个大体的增长的方面,在堆内存中,已使用的区域和未使用的区域是交错的,而不是像栈区域那样有明显的分界线。

堆内存的释放看下面这个图:

看到这样频繁的使用区域和释放,那么很容易看出堆内存是不连续的,跟堆内存的使用方式有关系,这个分配就相对自由灵活了,但是也是会在低地址向高地址发展的方向分配的。

比如上面释放后再分配就可以是下面两种情况:

先看再次分配1的情况:当新分配的需求比中间(刚刚释放)区域小,那么就会在紧接着的区域给分配。

再看再次分配2的情况:当新分配的需求比中间(释放的)区域大,那么只能往后寻求能给的区域。

当频繁的分配和释放内存的过程中,会很容易出现在两块已经分配的内存之间较小的未分配内存区域,这些其实可以用,但是由于他们的空间比较小,不够连续内存的分配,所以分配的时候就很难再次使用,这些较小的内存就是我们常说的内存碎片。

我们再来聊一下在C程序中堆空间的使用。

在C语言中,堆内存区域的分配和释放是通过调用库函数来完成的,实现的函数主要有四个:

void *malloc(size_t size); //分配内存空间

void free(void *ptr); //释放内存空间

void *calloc(size_t nmemb,size_t size); //分配内存空间

void *realloc(void * ptr,size_t size); //重新分配内存空间

注意:使用上面这几个函数需要包含标准库文件

那么库函数怎么使用呢,内存分配了就要有释放,那么常用的就是malloc()和free()两个函数。malloc()函数的输入是需要分配内存的大小,输出是分配内存的指针。如果分配不成功,则返回NULL。

free()函数的输入是需要释放的指针,可以接受任何形式的指针。这个指针必须是由分配函数分配出来的。

例如:

int *pa;

pa = (int *)malloc(sizeof(int));//分配一个int大小的指针

if(NULL != pa)

{

free(pa);

}

内存使用完成需要释放,以便分配给其他程序使用。

calloc()也是内存分配的,只是可以把分配好的内存区域的初始值全部设置为0。还有这个分配内存有两个参数,第一个是分配单元的大小,第二个是要分配的数目。

malloc(sizeof(unsigned int)*10); == calloc(sizeof(unsigned int),10)

realloc()有两个参数,一个是指向内存的地址指针,一个是要重分配内存的大小,返回值是指向所分配内存的指针。

1、当参数指针为NULL的时候,作为malloc使用,分配内存。

2、当重分配内存大小为0的时候,作为free使用,释放内存。

3、当指针和重分配内存大小均不为0的时候,根据指针指向的堆内存区域的情况和指针大小重新分配内存。

对于realloc()作为重新分配内存的时候,有三种可能出现:

1、缩小内存

2、扩大内存,不需要移动指针

3、扩大内存,需要移动指针(指定内存区域大小不够)

在堆内存的管理上,主要容易出现以下几个问题:

1、开辟的内存没有释放,造成内存泄漏(系统不会释放任何用户分配的内存)

2、野指针被使用或释放(内存释放后,需要将内存指针置为NULL)

3、非法释放指针(分配了有效内存才存在释放,否则是非法的)

在C语言语法的方面对栈内存和堆内存如何使用没有限制。然后从使用的角度,栈内存更适用于容量较小的单个变量(例如:C语言的基本变量类型、较小的结构体和数组),堆内存则适用于开辟较大块的内存。栈内存由编译器分配和释放,堆内存由程序员分配和释放。

责任编辑:lq6

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原文标题:堆内存的那些事

文章出处:【微信号:gh_e7f294a514ca,微信公众号:单片机匠人】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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