C語(yǔ)言的stdlib庫(kù)提供了內(nèi)存分配與管理的函數(shù)：

1、通過調(diào)用calloc、malloc和realloc所分配的空間，如果連續(xù)調(diào)用它們，不能保證空間是順利或連續(xù)的。當(dāng)分配成功后，函數(shù)將返回一個(gè)指針，這個(gè)指針指向分配成功的空間的開始位置， 它可以被指向任意類型的對(duì)象，當(dāng)分配空間失敗后，返回NULL指針。

2、通過free函數(shù)釋放空間。

3、函數(shù)說明

（1）calloc函數(shù)

函數(shù)的原型為：

void *calloc(size_t nmemb,size_t size);

為nmemb個(gè)對(duì)象的數(shù)組分配空間，每個(gè)元素的大小為size,分配的空間所有位被初始為0。

(2)free函數(shù)

函數(shù)的原型為：

原型：extern void free(void *ptr);

釋放指針ptr所指向的的內(nèi)存空間。ptr所指向的內(nèi)存空間必須是用calloc,malloc,realloc所分配的內(nèi)存。如果ptr為NULL或指向不存在的內(nèi)存塊則不做任何操作。

釋放的空間還可以被重新分配，

（3）malloc函數(shù)

void *malloc(size_t size);

分配長(zhǎng)度為size字節(jié)的內(nèi)存塊。如果分配成功則返回指向被分配內(nèi)存的指針，否則返回空指針NULL。當(dāng)內(nèi)存不再使用時(shí)，應(yīng)使用free()函數(shù)將內(nèi)存塊釋放。

(4)realloc函數(shù)

void realloc(void ptr, size_t size);

改變ptr所指內(nèi)存區(qū)域的大小為size長(zhǎng)度。如果重新分配成功則返回指向被分配內(nèi)存的指針，否則返回空指針NULL。當(dāng)內(nèi)存不再使用時(shí)，應(yīng)使用free()函數(shù)將內(nèi)存塊釋放。新分配空間比空間大，并包括原空間的的內(nèi)容，但因?yàn)榉峙湫驴臻g，沒有初始化0的操作，所以新空間中除去舊空間的部分的內(nèi)容不能保證清空為零。

4、C語(yǔ)言中數(shù)據(jù)對(duì)象空間分配原理
C語(yǔ)言中的數(shù)據(jù)對(duì)象存儲(chǔ)在以下3種空間中：

（1） 程序在開始執(zhí)行前，分配 靜態(tài)存儲(chǔ)空間，并進(jìn)行初始化，如果沒有指定數(shù)據(jù)對(duì)象的初始值，則每個(gè)標(biāo)題 的值 初始化為零。這樣的數(shù)據(jù)對(duì)象在程序結(jié)束前一直存在。

（2） 程序在每一個(gè)程序塊的入口分配動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間。如果沒有指定數(shù)據(jù)初始值，它的初始內(nèi)容不確定，可能上次程序使用釋放過的內(nèi)存內(nèi)容（釋放內(nèi)存本身并不清空內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，只是標(biāo)記這塊內(nèi)存操作系統(tǒng)可重新使用）。 這些數(shù)據(jù)對(duì)象在程序塊執(zhí)行完畢前一直存在。

（3） 調(diào)用calloc、malloc、realloc時(shí)，程序才分配可被程序員人為操縱的存儲(chǔ)空間，僅當(dāng)調(diào)用calloc時(shí)，空間才被初始化。這樣分配的數(shù)據(jù)對(duì)象要用free函數(shù)釋放。否則將生存到程序結(jié)束。

5、堆的原理

靜態(tài)存儲(chǔ)空間存在在于程序的整個(gè)執(zhí)行過程 中，動(dòng)態(tài) 存儲(chǔ)空間是后進(jìn)先出，可用棧實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間經(jīng)常與函數(shù)調(diào)用與返回?cái)?shù)據(jù)一起使用堆棧。可被人為操縱的存儲(chǔ)空間不遵守這個(gè)規(guī)定。C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)維持著叫“堆”的空間池來控制被calloc、malloc、realloc函數(shù)分配的存儲(chǔ)空間。

堆中分配的每塊內(nèi)存都應(yīng)被free函數(shù)釋放，free函數(shù)要釋放內(nèi)存塊，就意味著它必須知道釋放多大的內(nèi)存塊，然后調(diào)用該函數(shù)，并沒有將需要釋放的內(nèi)存大小告訴它，因此，必須有一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄每個(gè)已經(jīng)分配的內(nèi)存塊的信息，同時(shí)在堆內(nèi)存的多次釋放與申請(qǐng)過程中，必須會(huì)形成很多內(nèi)存碎片，形成很多數(shù)據(jù)對(duì)象間的小空間，減少了堆的實(shí)際可用空間。

多個(gè)內(nèi)存塊(Chunks)通常具有相同的尺寸，從內(nèi)存塊邊界地址開始，多個(gè)領(lǐng)域( Arena)將眾多內(nèi)存塊分割成較小的空間進(jìn)行分配，超大的內(nèi)存分配（huge arena）要同時(shí)占據(jù)多個(gè)連續(xù)內(nèi)存塊(Chunks)才夠用。

分配大小分為3個(gè)部分：小的、大的和巨大的，所有分配請(qǐng)求被安排到最接近的大小邊界，超大的內(nèi)存分配大于內(nèi)存塊的一半，這種分配存儲(chǔ)在單獨(dú)的紅黑樹中。對(duì)小型和大型的分配,塊分割成頁(yè)，使用二伙伴（Binary-Buddy）算法作為分割算法，Binary-Buddy在分配內(nèi)存的時(shí)候，首先找到一個(gè)空閑內(nèi)存塊，接著把內(nèi)存塊不斷的進(jìn)行對(duì)半切分（切分得到的2個(gè)同樣大小的內(nèi)存塊互為伙伴），直到切出來的內(nèi)存塊剛好滿足分配需求為止，合并的時(shí)候，只有伙伴才能合并為一個(gè)新的內(nèi)存塊。

小型和大型分配通過反復(fù)將分配大小折半,最后走到一個(gè)內(nèi)存頁(yè),但只能合并的方式是分裂過程的相反操作，運(yùn)行的狀態(tài)信息作為頁(yè)面映射存儲(chǔ)為每個(gè)內(nèi)存塊(Chunks)的開始處，通過分開存儲(chǔ)這些信息,頁(yè)面只接觸它們使用的部分，同時(shí)對(duì)于超過一半的頁(yè),但沒有超過一半的內(nèi)存塊的大型分配，這種做法同樣高效和安全。

小型分配分為三個(gè)類:小、量子尺寸（quantum-spaced）和子頁(yè)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，現(xiàn)代架構(gòu)要求內(nèi)存對(duì)齊，malloc(3)要求返回適合邊界的內(nèi)存時(shí)，在糟糕的情況下，對(duì)齊要求被稱為量子尺寸(通常是16字節(jié))。如下圖所示:

jemalloc分配機(jī)制包括領(lǐng)域（arena）、塊（chunk）、執(zhí)行（bin）、運(yùn)行（run）、線程緩存等部分，jemalloc使用多個(gè)分配領(lǐng)域（Arena）將內(nèi)存分而治之，以塊（chunk）作為具體進(jìn)行內(nèi)存分配的區(qū)域，塊（chunk）以頁(yè)（page）為單位進(jìn)行管理，每個(gè)塊（chunk）的前幾個(gè) 頁(yè)（page）用于存儲(chǔ)后面所有頁(yè)（page）的狀態(tài)，后面的所有頁(yè)（page）則用于進(jìn)行實(shí)際的分配。執(zhí)行（bin）用來管理各個(gè)不同大小單元的分配，每個(gè)執(zhí)行（bin）通過對(duì)它對(duì)應(yīng)的運(yùn)行（run）操作來進(jìn)行分配的，一個(gè)運(yùn)行（run）實(shí)際上就是塊（chunk）里的一塊區(qū)域 ，在分配內(nèi)存時(shí)首先從線程對(duì)應(yīng)的私有緩存空間（tcache）中找。

但現(xiàn)代的處理器都是多處理器，并行計(jì)算已經(jīng)慢慢成為一種趨勢(shì)，多線程運(yùn)算不可避免，為提高malloc在多線程環(huán)境的效率和安全性，增強(qiáng)多線程的伸縮性，Jason Evans 在他的《A Scalable Concurrent malloc(3) Implementation for FreeBSD》一文中提出了并發(fā)狀態(tài)的malloc機(jī)制，jemalloc使用多個(gè)分配領(lǐng)域（Arena）減少在多處理器系統(tǒng)中的線程之間的鎖競(jìng)爭(zhēng)，雖然增加一些成本，但更有利于提供多線程的伸縮性。現(xiàn)代的多處理器在每個(gè)高速緩存線（per-cache-line ）的基礎(chǔ)上提供了內(nèi)存的一致性視圖，如果兩個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行在不同的處理器上，但在同一緩存線(cache-line)操縱不同的對(duì)象，那么處理器必須仲裁緩存線(cache-line)的所有權(quán)。

6、分配機(jī)制

malloc函數(shù)是內(nèi)存分配機(jī)制的核心，realloc函數(shù)內(nèi)部通過調(diào)用malloc函數(shù)申請(qǐng)更大的內(nèi)存空間，calloc函數(shù)也是如此，先通過調(diào)用malloc函數(shù)申請(qǐng)空間，然后將空間初始化為0。

通常來說，在大多數(shù)操作系統(tǒng)（流行的UNIX/LINUX系統(tǒng)、MAC OS以及WINDOWS）中，malloc函數(shù)的運(yùn)作原理為：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)被切成很多的內(nèi)存碎片，當(dāng)用戶申請(qǐng)一個(gè)大的內(nèi)存片段，那么空閑鏈上沒有供分配的內(nèi)存了，malloc函數(shù)在空閑鏈上整理各內(nèi)存片段，將相鄰的小空閑塊合并成較大的內(nèi)存塊等等，最大可能得在內(nèi)存中騰出需要的空閑空間返回，如果努力失敗將返回NULL指針。

在多處理器中，內(nèi)存分配如何減少程序的多個(gè)線程的鎖競(jìng)爭(zhēng)？可采用在每個(gè)分配器中放置一個(gè)鎖，為分配器準(zhǔn)備多個(gè)領(lǐng)域，通過對(duì)線程標(biāo)識(shí)的HASH計(jì)算將各個(gè)線程分配到這些領(lǐng)域中，如下圖所示：

jemalloc使用的是比HASH更具彈性的算法將線程分派到領(lǐng)域中，在FREEBSD中，默認(rèn)情況下，單處理器使用一個(gè)領(lǐng)域，而多處理器中使用相當(dāng)于處理器4倍數(shù)量的領(lǐng)域。

當(dāng)線程分配器第一次分配或釋放內(nèi)存時(shí)，被分派一個(gè)領(lǐng)域，但不是通過線程標(biāo)識(shí)的HASH，而是循環(huán)的方式，每個(gè)區(qū)域盡量保證被分派的線程數(shù)相等，沒用的HASH的原因在于，做到線程標(biāo)識(shí)符(就是線程指針)的可靠的偽隨機(jī)HASH非常困難。線程本地存儲(chǔ)(TLS)對(duì)高效實(shí)現(xiàn)循環(huán)領(lǐng)域非常重要,每個(gè)線程的領(lǐng)域需要一個(gè)存儲(chǔ)位置，在一些不支持TLS的架構(gòu)上，仍需要使用線程標(biāo)識(shí)HASH，因此使用pthreads庫(kù)的TSD替代TLS解決這一問題。

mmap函數(shù)和sbrk函數(shù)擔(dān)負(fù)malloc等分配內(nèi)存的函數(shù)向內(nèi)核申請(qǐng)內(nèi)存的任務(wù)，mmap將一個(gè)文件或者其它對(duì)象映射進(jìn)內(nèi)存。文件被映射到多個(gè)頁(yè)上，如果文件的大小不是所有頁(yè)的大小之和，最后一個(gè)頁(yè)不被使用的空間將會(huì)清零，而sbrk增加程序可用數(shù)據(jù)段空間。

內(nèi)存塊(chunk)的尺寸默認(rèn)為2M，分配內(nèi)存塊時(shí)，基址是尺寸的常數(shù)倍，這就是邊界對(duì)齊，從理論上講似乎對(duì)任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實(shí)際情況是在訪問特定變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就需要各類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同，一些平臺(tái)對(duì)某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取，邊界不對(duì)齊將導(dǎo)致讀取效率下降很多。

以freebsd10.0系統(tǒng)為例，freebsd采用的是jemalloc分配機(jī)制，它能盡量減少內(nèi)存碎片，提供可伸縮的并發(fā)支持，jemalloc在2005首次被引入到freebsd的libc庫(kù)的分配器。在下圖的分析比較中，可以看到，jemalloc分配機(jī)制在眾多內(nèi)存分配機(jī)制中（最右邊的直方框），性能是最好的，

jemalloc使用多個(gè)分配領(lǐng)域（Arena）將內(nèi)存分而治之，以減少在多處理器系統(tǒng)中的線程之間的鎖競(jìng)爭(zhēng)，雖然增加一些成本，但更有利于提供多線程的伸縮性。現(xiàn)代的多處理器在每個(gè)高速緩存線（per-cache-line ）的基礎(chǔ)上提供了內(nèi)存的一致性視圖，如果兩個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行在不同的處理器上，但在同一緩存線(cache-line)操縱不同的對(duì)象，那么處理器必須仲裁緩存線(cache-line)的所有權(quán)。

如下圖所示，被不同線程使用的2個(gè)分配器在物理高速緩存上共享同一根緩存線，如果幾個(gè)線程同時(shí)修改2個(gè)分配器，處理器得決定這根緩存線歸哪個(gè)線程使用。

?

這種看似合理但實(shí)質(zhì)有可能造成低效的高速緩存線路共享會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能下降。解決這個(gè)問題的方法之一是填充分配（pad allocation）,但填充分配與讓數(shù)據(jù)對(duì)象盡可能緊密的目標(biāo)背道而馳，它會(huì)引起嚴(yán)重的內(nèi)存碎片，jemalloc使用一個(gè)替代方案，依賴于多個(gè)分配領(lǐng)域（Arena）來減少問題，它讓應(yīng)用程序編寫者自己進(jìn)行填充分配（pad allocation），從而在性能的關(guān)鍵代碼、線程分配對(duì)象的代碼以及將對(duì)象傳遞給多個(gè)其他線程中，有意避免緩存線程共享機(jī)制帶來的影響。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C指针原理（42)-内存管理与控制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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