什么是堆內(nèi)存？堆內(nèi)存是如何分配的？

上一篇我們分享了棧內(nèi)存的概念，現(xiàn)在我們分享下堆內(nèi)存的概念。

在一般的編譯系統(tǒng)中，堆內(nèi)存的分配方向和棧內(nèi)存是相反的。當(dāng)棧內(nèi)存從高地址向低地址增長(zhǎng)的時(shí)候，堆內(nèi)存從低地址向高地址分配。

在C語言中，堆內(nèi)存在分配和釋放的時(shí)候，是程序通過調(diào)用C語言的庫函數(shù)完成的。這和棧內(nèi)存的分配有區(qū)別，棧內(nèi)存利用的是處理器的硬件機(jī)制，而堆內(nèi)存的處理使用的是庫函數(shù)。

我們來看下堆內(nèi)存的分配情況：

在堆內(nèi)存的分配過程中，每次分配將返回一個(gè)當(dāng)前分配地址的指針。在程序中如果多次分配內(nèi)存，可以得到多個(gè)內(nèi)存指針，每個(gè)內(nèi)存指針都是本次分配內(nèi)存的地址。在釋放內(nèi)存的時(shí)候，只需要對(duì)每個(gè)指針進(jìn)行操作，那個(gè)指針?biāo)赶虻膬?nèi)存就會(huì)被釋放，而對(duì)其他的內(nèi)存區(qū)域沒有影響。

從內(nèi)存的分配和使用上，可以看出棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的區(qū)別：棧內(nèi)存只有一個(gè)入口點(diǎn)，就是棧指針，棧內(nèi)存壓入和彈出的時(shí)候棧指針將發(fā)生變化，棧指針標(biāo)識(shí)當(dāng)前棧區(qū)域中已使用和未使用的界限，程序在訪問棧內(nèi)存的時(shí)候都只能通過棧指針及其偏移量；而堆內(nèi)存有多個(gè)入口點(diǎn)，每次分配得到的指針是訪問內(nèi)存的入口，每個(gè)分配內(nèi)存區(qū)域都可以被單獨(dú)釋放，程序?qū)Χ褍?nèi)存可以通過每次分配得到的指針訪問。

堆內(nèi)存有一個(gè)整體分配的過程，按照向上的堆內(nèi)存分配方向。隨著堆內(nèi)存使用量的增加，堆內(nèi)存將逐漸向高地址分配。這只是一個(gè)大體的增長(zhǎng)的方面，在堆內(nèi)存中，已使用的區(qū)域和未使用的區(qū)域是交錯(cuò)的，而不是像棧區(qū)域那樣有明顯的分界線。

堆內(nèi)存的釋放看下面這個(gè)圖：

看到這樣頻繁的使用區(qū)域和釋放，那么很容易看出堆內(nèi)存是不連續(xù)的，跟堆內(nèi)存的使用方式有關(guān)系，這個(gè)分配就相對(duì)自由靈活了，但是也是會(huì)在低地址向高地址發(fā)展的方向分配的。

比如上面釋放后再分配就可以是下面兩種情況：

先看再次分配1的情況：當(dāng)新分配的需求比中間（剛剛釋放）區(qū)域小，那么就會(huì)在緊接著的區(qū)域給分配。

再看再次分配2的情況：當(dāng)新分配的需求比中間（釋放的）區(qū)域大，那么只能往后尋求能給的區(qū)域。

當(dāng)頻繁的分配和釋放內(nèi)存的過程中，會(huì)很容易出現(xiàn)在兩塊已經(jīng)分配的內(nèi)存之間較小的未分配內(nèi)存區(qū)域，這些其實(shí)可以用，但是由于他們的空間比較小，不夠連續(xù)內(nèi)存的分配，所以分配的時(shí)候就很難再次使用，這些較小的內(nèi)存就是我們常說的內(nèi)存碎片。

我們?cè)賮砹囊幌略贑程序中堆空間的使用。

在C語言中，堆內(nèi)存區(qū)域的分配和釋放是通過調(diào)用庫函數(shù)來完成的，實(shí)現(xiàn)的函數(shù)主要有四個(gè)：

void *malloc(size_t size); //分配內(nèi)存空間

void free(void *ptr); //釋放內(nèi)存空間

void *calloc(size_t nmemb,size_t size); //分配內(nèi)存空間

void *realloc(void * ptr,size_t size); //重新分配內(nèi)存空間

注意：使用上面這幾個(gè)函數(shù)需要包含標(biāo)準(zhǔn)庫文件

那么庫函數(shù)怎么使用呢，內(nèi)存分配了就要有釋放，那么常用的就是malloc()和free()兩個(gè)函數(shù)。malloc()函數(shù)的輸入是需要分配內(nèi)存的大小，輸出是分配內(nèi)存的指針。如果分配不成功，則返回NULL。

free()函數(shù)的輸入是需要釋放的指針，可以接受任何形式的指針。這個(gè)指針必須是由分配函數(shù)分配出來的。

例如：

int *pa;

pa = (int *)malloc(sizeof(int));//分配一個(gè)int大小的指針

if(NULL != pa)

{

free(pa);

}

內(nèi)存使用完成需要釋放，以便分配給其他程序使用。

calloc()也是內(nèi)存分配的，只是可以把分配好的內(nèi)存區(qū)域的初始值全部設(shè)置為0。還有這個(gè)分配內(nèi)存有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是分配單元的大小，第二個(gè)是要分配的數(shù)目。

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

realloc()有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是指向內(nèi)存的地址指針，一個(gè)是要重分配內(nèi)存的大小，返回值是指向所分配內(nèi)存的指針。

1、當(dāng)參數(shù)指針為NULL的時(shí)候，作為malloc使用，分配內(nèi)存。

2、當(dāng)重分配內(nèi)存大小為0的時(shí)候，作為free使用，釋放內(nèi)存。

3、當(dāng)指針和重分配內(nèi)存大小均不為0的時(shí)候，根據(jù)指針指向的堆內(nèi)存區(qū)域的情況和指針大小重新分配內(nèi)存。

對(duì)于realloc()作為重新分配內(nèi)存的時(shí)候，有三種可能出現(xiàn)：

1、縮小內(nèi)存

2、擴(kuò)大內(nèi)存，不需要移動(dòng)指針

3、擴(kuò)大內(nèi)存，需要移動(dòng)指針（指定內(nèi)存區(qū)域大小不夠）

在堆內(nèi)存的管理上，主要容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

1、開辟的內(nèi)存沒有釋放，造成內(nèi)存泄漏（系統(tǒng)不會(huì)釋放任何用戶分配的內(nèi)存）

2、野指針被使用或釋放（內(nèi)存釋放后，需要將內(nèi)存指針置為NULL）

3、非法釋放指針（分配了有效內(nèi)存才存在釋放，否則是非法的）

在C語言語法的方面對(duì)棧內(nèi)存和堆內(nèi)存如何使用沒有限制。然后從使用的角度，棧內(nèi)存更適用于容量較小的單個(gè)變量（例如：C語言的基本變量類型、較小的結(jié)構(gòu)體和數(shù)組），堆內(nèi)存則適用于開辟較大塊的內(nèi)存。棧內(nèi)存由編譯器分配和釋放，堆內(nèi)存由程序員分配和釋放。

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