第7章：
内存分配
通过增加堆的大小分配内存，通过提升program break位置的高度来分配内存。
基本学过C语言的都用过malloc来分配内存，而malloc都基于brk()和sbrk()。
1 #include <unistd.h> 2 3 int brk(void *end_data_segment); 4 5 int *sbrk(intptr_t increment);
brk()系统调用会将program break设置为end_data_segment的位置。成功调用返回0,失败返回-1。
sbrk()系统调用会将program break原来的位置增加increment的大小。成功调用返回原来program break的位置，失败返回(void *)-1。
PS：sbrk(0)返回program break的当前位置。
malloc()函数，C使用该函数在堆上分配和释放内存。
1 #include <stdlib.h> 2 3 void *malloc(size_t size);
malloc分配size字节大小的内存。并返回指向新分配的内存的起始位置的指针，该内存未经初始化；失败返回NULL。
通常对返回的指针进行显式类型转换来获得自己想要的类型的指针。
实际上每次调用malloc分配内存时，会额外分配多几个字节来记录这块内存的大小。（如下图所示）
free()函数用来释放内存块。
1 #include <stdlib.h> 2 3 void free(void *ptr);
free释放ptr指向的内存块，ptr必须是malloc、calloc、realloc返回的指针。
free不会降低program break的位置，而是将该内存添加到空闲内存列表，用于以后malloc使用。
PS：不能对已经调用过free函数的指针，再次调用free，这样会产生错误。
因为malloc分配后的内存会有内存块的长度，所以free会知道这块内存的大小，从而准确的将内存块释放，并放入空闲内存块列表中。
PS：因此不能用free随便释放不是malloc返回的指针。
经过free释放后的内存块结构如下：
其实malloc调用是先查找空闲内存块列表，找到合适的内存块。如果找不到合适的内存块就调用sbrk()来分配更多的内存，为了减少调用sbrk的次数，会分配比size大小更多的内存来增加program break的位置，超出size大小的内存块会放到空闲内存列表。
calloc()函数可以对一组相同的对象分配内存。
#include <stdlib.h>
void *calloc(size_t numitems, size_t size);
numitems指定了对象的数量，size指定了每个对象的大小。成功调用返回内存块的起始地址，失败返回NULL。malloc返回的内存不会初始化，而calloc返回的内存块是已初始化。
realloc()函数可以调整一块内存的大小。
1 #include <stdlib.h> 2 3 void *realloc(void *ptr, size_t size);
ptr是需要调整大小的内存块的指针， size是所需调整大小的期望值。
成功调用会返回指向调整后内存块的指针（位置可能不同），失败返回NULL。
练习：
7-1. 修改程序清单7-1中的程序，在每次执行malloc()后打印出program break的当前至。指定一个较小的内存分配尺寸来运行该程序。这将证明malloc不会在每次调用时都会调用sbrk()来调整program break的位置，而是周期性地分大块内存，并从中将小片内存返回给调用者。
程序清单7-1:
1 /* 2 * ===================================================================================== 3 * 4 * Filename: free_and_sbrk.c 5 * 6 * Description: 7 * 8 * Version: 1.0 9 * Created: 2014年03月19日 11时37分09秒 10 * Revision: none 11 * Compiler: gcc 12 * 13 * Author: alan (), alan19920626@gmail.com 14 * Organization: 15 * 16 * ===================================================================================== 17 */ 18 19 #include "tlpi_hdr.h" 20 21 #define MAX_ALLOCS 1000000 22 23 int main(int argc, char *argv[]){ 24 char *ptr[MAX_ALLOCS]; 25 int freeStep, freeMin, freeMax, blockSize, numAllocs, j; 26 27 printf(" "); 28 29 if(argc < 3 || strcmp(argv[1], "--help") == 0) 30 usageErr("%s num-allocs blocksize [step [min [max]]] ", argv[0]); 31 32 numAllocs = getInt(argv[1], GN_GT_0, "num-allocs"); 33 34 if(numAllocs > MAX_ALLOCS) 35 cmdLineErr("num-allocs > %d ", MAX_ALLOCS); 36 37 blockSize = getInt(argv[2], GN_GT_0 | GN_ANY_BASE, "blocksize"); 38 39 freeStep = (argc > 3) ? getInt(argv[3], GN_GT_0, "step") : 1; 40 freeMin = (argc > 4) ? getInt(argv[4], GN_GT_0, "min") : 1; 41 freeMax = (argc > 5) ? getInt(argv[5], GN_GT_0, "max") : numAllocs; 42 43 if(freeMax > numAllocs) 44 cmdLineErr("free-max > num-allocs "); 45 46 printf("Initial program break: %10p ", sbrk(0)); 47 48 printf("Allocing %d*%d bytes ", numAllocs, blockSize); 49 50 for(j = 0; j < numAllocs; j++){ 51 ptr[j] = malloc(blockSize); 52 if(ptr[j] == NULL) 53 errExit("malloc"); 54 } 55 56 printf("Program break is now: %10p ", sbrk(0)); 57 58 printf("Freeing blocks from %d to %d in steps of %d ", freeMin, freeMax, freeStep); 59 for(j = freeMin-1; j < freeMax; j += freeStep) 60 free(ptr[j]); 61 62 printf("After free(), program break is %10p ", sbrk(0)); 63 64 exit(EXIT_SUCCESS); 65 }
1 /* 2 * ===================================================================================== 3 * 4 * Filename: free_and_sbrk.c 5 * 6 * Description: 7 * 8 * Version: 1.0 9 * Created: 2014年03月19日 11时37分09秒 10 * Revision: none 11 * Compiler: gcc 12 * 13 * Author: alan (), alan19920626@gmail.com 14 * Organization: 15 * 16 * ===================================================================================== 17 */ 18 19 #include "tlpi_hdr.h" 20 21 #define MAX_ALLOCS 1000000 22 23 int main(int argc, char *argv[]){ 24 char *ptr[MAX_ALLOCS]; 25 int freeStep, freeMin, freeMax, blockSize, numAllocs, j; 26 27 printf(" "); 28 29 if(argc < 3 || strcmp(argv[1], "--help") == 0) 30 usageErr("%s num-allocs blocksize [step [min [max]]] ", argv[0]); 31 32 numAllocs = getInt(argv[1], GN_GT_0, "num-allocs"); 33 34 if(numAllocs > MAX_ALLOCS) 35 cmdLineErr("num-allocs > %d ", MAX_ALLOCS); 36 37 blockSize = getInt(argv[2], GN_GT_0 | GN_ANY_BASE, "blocksize"); 38 39 freeStep = (argc > 3) ? getInt(argv[3], GN_GT_0, "step") : 1; 40 freeMin = (argc > 4) ? getInt(argv[4], GN_GT_0, "min") : 1; 41 freeMax = (argc > 5) ? getInt(argv[5], GN_GT_0, "max") : numAllocs; 42 43 if(freeMax > numAllocs) 44 cmdLineErr("free-max > num-allocs "); 45 46 printf("Initial program break: %10p ", sbrk(0)); 47 48 printf("Allocing %d*%d bytes ", numAllocs, blockSize); 49 50 for(j = 0; j < numAllocs; j++){ 51 ptr[j] = malloc(blockSize); 52 if(ptr[j] == NULL) 53 errExit("malloc"); 54 printf("After malloc(), program break is: %10p ", sbrk(0)); 55 } 56 57 printf("Program break is now: %10p ", sbrk(0)); 58 59 printf("Freeing blocks from %d to %d in steps of %d ", freeMin, freeMax, freeStep); 60 for(j = freeMin-1; j < freeMax; j += freeStep) 61 free(ptr[j]); 62 63 printf("After free(), program break is %10p ", sbrk(0)); 64 65 exit(EXIT_SUCCESS); 66 }
测试结果：
lancelot@debian:~/Code/tlpi$ ./7-1 15 10 2 Initial program break: 0x1913000 Allocing 15*10 bytes After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 After malloc(), program break is: 0x1934000 Program break is now: 0x1934000 Freeing blocks from 1 to 15 in steps of 2 After free(), program break is 0x1934000
可以清楚的看得出来，内存块只是调用了一次sbrk()来改变program break的位置，分配15块10个字节的内存块，只是第一次的时候调用了sbrk分配了1000个字节的内存块，并将990个字节大小的内存块放到空闲内存块列表，供以后malloc的调用使用。。。。