malloc（）是C語言中動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理的一組標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)之一。其作用是在內(nèi)存的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)中分配一個(gè)長(zhǎng)度為size的連續(xù)空間。其參數(shù)是一個(gè)無符號(hào)整形數(shù)，返回值是一個(gè)指向所分配的連續(xù)存儲(chǔ)域的起始地址的指針。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配就是指在程序執(zhí)行的過程中動(dòng)態(tài)地分配或者回收存儲(chǔ)空間的分配內(nèi)存的方法。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配不像數(shù)組等靜態(tài)內(nèi)存分配方法那樣需要預(yù)先分配存儲(chǔ)空間，而是由系統(tǒng)根據(jù)程序的需要即時(shí)分配，且分配的大小就是程序要求的大小。本文簡(jiǎn)單介紹動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)malloc（）及幾種實(shí)現(xiàn)方法。
1． 簡(jiǎn)介
malloc（）是C語言中動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理的一組標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)之一。其作用是在內(nèi)存的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)中分配一個(gè)長(zhǎng)度為size的連續(xù)空間。其參數(shù)是一個(gè)無符號(hào)整形數(shù)，返回值是一個(gè)指向所分配的連續(xù)存儲(chǔ)域的起始地址的指針。還有一點(diǎn)必須注意的是，當(dāng)函數(shù)未能成功分配存儲(chǔ)空間（如內(nèi)存不足）就會(huì)返回一個(gè)NULL指針。所以在調(diào)用該函數(shù)時(shí)應(yīng)該檢測(cè)返回值是否為NULL并執(zhí)行相應(yīng)的操作。
2． 函數(shù)說明
C語言的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理由一組標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其原型在標(biāo)準(zhǔn)文件<stdlib.h>里描述，需要用這些功能時(shí)應(yīng)包含這個(gè)文件。與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配有關(guān)的函數(shù)共有四個(gè)，其中就包括存儲(chǔ)分配函數(shù)malloc（）。函數(shù)原型是：void *malloc (size_t n);這里的size_t是標(biāo)準(zhǔn)庫里定義的一個(gè)類型，它是一個(gè)無符號(hào)整型。這個(gè)整型能夠滿足所有對(duì)存儲(chǔ)塊大小描述的需要，具體相當(dāng)于哪個(gè)整型由具體的C系統(tǒng)確定。malloc的返回值為(void *)類型（這是通用指針的一個(gè)重要用途），它分配一片能存放大小為n的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)塊，返回對(duì)應(yīng)的指針值；如果不能滿足申請(qǐng)（找不到能滿足要求的存儲(chǔ)塊）就返回NULL。在使用時(shí)，應(yīng)該把malloc的返回值轉(zhuǎn)換到特定指針類型，賦給一個(gè)指針。
注意，雖然這里的存儲(chǔ)塊是通過動(dòng)態(tài)分配得到的，但是它的大小也是確定的，同樣不允許越界使用。例如上面程序段分配的塊里能存n個(gè)雙精度數(shù)據(jù)，隨后的使用就必須在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行。越界使用動(dòng)態(tài)分配的存儲(chǔ)塊，尤其是越界賦值，可能引起非常嚴(yán)重的后果，通常會(huì)破壞程序的運(yùn)行系統(tǒng)，可能造成本程序或者整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)垮臺(tái)。
下例是一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的例子：
#include <stdlib.h>
main()
{
int count,*array; /*count是一個(gè)計(jì)數(shù)器，array是一個(gè)整型指針，也可以理解為指向一個(gè)整型數(shù)組的首地址*/
if((array(int *) malloc (10*sizeof(int)))==NULL)
{
printf("不能成功分配存儲(chǔ)空間。");
exit(1);
}
for (count=0;count〈10;count++) /*給數(shù)組賦值*/
array[count]=count;
for(count=0;count〈10;count++) /*打印數(shù)組元素*/
printf("%2d",array[count]);
}
上例中動(dòng)態(tài)分配了10個(gè)整型存儲(chǔ)區(qū)域，然后進(jìn)行賦值并打印。例中if((array(int *) malloc (10*sizeof(int)))==NULL)語句可以分為以下幾步：
1）分配10個(gè)整型的連續(xù)存儲(chǔ)空間，并返回一個(gè)指向其起始地址的整型指針
2）把此整型指針地址賦給array
3）檢測(cè)返回值是否為NULL
3． malloc（）工作機(jī)制
malloc函數(shù)的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)在，它有一個(gè)將可用的內(nèi)存塊連接為一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的列表的所謂空閑鏈表。調(diào)用malloc函數(shù)時(shí)，它沿連接表尋找一個(gè)大到足以滿足用戶請(qǐng)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(qǐng)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(shí)，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(huì)被切成很多的小內(nèi)存片段，如果這時(shí)用戶申請(qǐng)一個(gè)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(qǐng)求延時(shí)，并開始在空閑鏈上翻箱倒柜地檢查各內(nèi)存片段，對(duì)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。
4． malloc（）在操作系統(tǒng)中的實(shí)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(shí)間去思考它們?cè)谀牟僮飨到y(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)將向您展示 malloc 和 free 的一個(gè)最簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)的代碼，來幫助說明管理內(nèi)存時(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(gè)字節(jié)的指針。
void free(void *firstbyte)：如果給定一個(gè)由先前的 malloc 返回的指針，那么該函數(shù)會(huì)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(shí)為已經(jīng)初始化，找到系統(tǒng)中最后一個(gè)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(gè)變量都是全局變量：
清單 1. 我們的簡(jiǎn)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(gè)有效地址）常被稱為系統(tǒng)中斷點(diǎn)或者 當(dāng)前中斷點(diǎn)。在很多 UNIX? 系統(tǒng)中，為了指出當(dāng)前系統(tǒng)中斷點(diǎn)，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(dòng)當(dāng)前系統(tǒng)中斷點(diǎn)，然后返回新的系統(tǒng)中斷點(diǎn)。使用參數(shù) 0 只是返回當(dāng)前中斷點(diǎn)。這里是我們的 malloc 初始化代碼，它將找到當(dāng)前中斷點(diǎn)并初始化我們的變量：
清單 2. 分配程序初始化函數(shù)
/* 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;
}
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(duì)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(shí)，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(gè)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(huì)認(rèn)為當(dāng)程序調(diào)用 malloc 時(shí)這會(huì)引發(fā)問題 —— 它們?nèi)绾沃肋@個(gè)結(jié)構(gòu)？答案是它們不必知道；在返回指針之前，我們會(huì)將其移動(dòng)到這個(gè)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(shí)，我們只需要倒退幾個(gè)內(nèi)存字節(jié)就可以再次找到這個(gè)結(jié)構(gòu)。
在討論分配內(nèi)存之前，我們將先討論釋放，因?yàn)樗?jiǎn)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(gè)字節(jié)，并將其標(biāo)記為可用的。這里是對(duì)應(yīng)的代碼：
清單 4. 解除分配函數(shù)
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;
}
如您所見，在這個(gè)分配程序中，內(nèi)存的釋放使用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的機(jī)制，在固定時(shí)間內(nèi)完成內(nèi)存釋放。分配內(nèi)存稍微困難一些。以下是該算法的略述：
清單 5. 主分配程序的偽代碼
1. If our allocator has not been initialized, initialize it.
2. Add sizeof(struct mem_control_block) to the size requested.
3. start at managed_memory_start.
4. Are we at last_valid address?
5. If we are:
A. We didn't find any existing space that was large enough
-- ask the operating system for more and return that.
6. Otherwise:
A. Is the current space available (check is_available from
the mem_control_block)?
B. If it is:
i) Is it large enough (check "size" from the
mem_control_block)?
ii) If so:
a. Mark it as unavailable
b. Move past mem_control_block and return the
pointer
iii) Otherwise:
a. Move forward "size" bytes
b. Go back go step 4
C. Otherwise:
i) Move forward "size" bytes
ii) Go back to step 4
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) {
/* 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;
}
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。
5． malloc（）的其他實(shí)現(xiàn)
malloc() 的實(shí)現(xiàn)有很多，這些實(shí)現(xiàn)各有優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)一個(gè)分配程序時(shí)，要面臨許多需要折衷的選擇，其中包括：
分配的速度。
回收的速度。
有線程的環(huán)境的行為。
內(nèi)存將要被用光時(shí)的行為。
局部緩存。
簿記（Bookkeeping）內(nèi)存開銷。
虛擬內(nèi)存環(huán)境中的行為。
小的或者大的對(duì)象。
實(shí)時(shí)保證。
每一個(gè)實(shí)現(xiàn)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)集合。在我們的簡(jiǎn)單的分配程序中，分配非常慢，而回收非常快。另外，由于它在使用虛擬內(nèi)存系統(tǒng)方面較差，所以它最適于處理大的對(duì)象。
還有其他許多分配程序可以使用。其中包括：
Doug Lea Malloc：Doug Lea Malloc 實(shí)際上是完整的一組分配程序，其中包括 Doug Lea 的原始分配程序，GNU libc 分配程序和 ptmalloc。 Doug Lea 的分配程序有著與我們的版本非常類似的基本結(jié)構(gòu)，但是它加入了索引，這使得搜索速度更快，并且可以將多個(gè)沒有被使用的塊組合為一個(gè)大的塊。它還支持緩存，以便更快地再次使用最近釋放的內(nèi)存。 ptmalloc 是 Doug Lea Malloc 的一個(gè)擴(kuò)展版本，支持多線程。在本文后面的 參考資料部分中，有一篇描述 Doug Lea 的 Malloc 實(shí)現(xiàn)的文章。
BSD Malloc：BSD Malloc 是隨 4.2 BSD 發(fā)行的實(shí)現(xiàn)，包含在 FreeBSD 之中，這個(gè)分配程序可以從預(yù)先確實(shí)大小的對(duì)象構(gòu)成的池中分配對(duì)象。它有一些用于對(duì)象大小的 size 類，這些對(duì)象的大小為 2 的若干次冪減去某一常數(shù)。所以，如果您請(qǐng)求給定大小的一個(gè)對(duì)象，它就簡(jiǎn)單地分配一個(gè)與之匹配的 size 類。這樣就提供了一個(gè)快速的實(shí)現(xiàn)，但是可能會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存。在 參考資料部分中，有一篇描述該實(shí)現(xiàn)的文章。
Hoard：編寫 Hoard 的目標(biāo)是使內(nèi)存分配在多線程環(huán)境中進(jìn)行得非常快。因此，它的構(gòu)造以鎖的使用為中心，從而使所有進(jìn)程不必等待分配內(nèi)存。它可以顯著地加快那些進(jìn)行很多分配和回收的多線程進(jìn)程的速度。在 參考資料部分中，有一篇描述該實(shí)現(xiàn)的文章。
眾多可用的分配程序中最有名的就是上述這些分配程序。如果您的程序有特別的分配需求，那么您可能更愿意編寫一個(gè)定制的能匹配您的程序內(nèi)存分配方式的分配程序。不過，如果不熟悉分配程序的設(shè)計(jì)，那么定制分配程序通常會(huì)帶來比它們解決的問題更多的問題。
6． 結(jié)束語
前面已經(jīng)提過，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(qǐng)內(nèi)存使用時(shí)，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(fèi)了空間，但也容易看出浪費(fèi)的空間永遠(yuǎn)不會(huì)超過50%。
參考文獻(xiàn)：
[1] Jonathan Bartlett，內(nèi)存管理內(nèi)幕. developerWorks 中國，2004年11月