《Linux/Unix系統編程手冊》讀書筆記4

《Linux/Unix系統編程手冊》讀書筆記 目錄

第7章：

內存分配

經過增長堆的大小分配內存，經過提高program break位置的高度來分配內存。

基本學過C語言的都用過malloc來分配內存，而malloc都基於brk()和sbrk()。

1 #include <unistd.h>
2 
3 int brk(void *end_data_segment);
4 
5 int *sbrk(intptr_t increment);

brk()系統調用會將program break設置爲end_data_segment的位置。成功調用返回0,失敗返回-1。

sbrk()系統調用會將program break原來的位置增長increment的大小。成功調用返回原來program break的位置，失敗返回(void *)-1。

PS：sbrk(0)返回program break的當前位置。

 

malloc()函數，C使用該函數在堆上分配和釋放內存。

1 #include <stdlib.h>
2 
3 void *malloc(size_t size);

malloc分配size字節大小的內存。並返回指向新分配的內存的起始位置的指針，該內存未經初始化；失敗返回NULL。

一般對返回的指針進行顯式類型轉換來得到本身想要的類型的指針。

實際上每次調用malloc分配內存時，會額外分配多幾個字節來記錄這塊內存的大小。（以下圖所示）

free()函數用來釋放內存塊。

1 #include <stdlib.h>
2 
3 void free(void *ptr);

free釋放ptr指向的內存塊，ptr必須是malloc、calloc、realloc返回的指針。

free不會下降program break的位置，而是將該內存添加到空閒內存列表，用於之後malloc使用。

PS：不能對已經調用過free函數的指針，再次調用free，這樣會產生錯誤。

 由於malloc分配後的內存會有內存塊的長度，因此free會知道這塊內存的大小，從而準確的將內存塊釋放，並放入空閒內存塊列表中。

PS：所以不能用free隨便釋放不是malloc返回的指針。

通過free釋放後的內存塊結構以下：

其實malloc調用是先查找空閒內存塊列表，找到合適的內存塊。若是找不到合適的內存塊就調用sbrk()來分配更多的內存，爲了減小調用sbrk的次數，會分配比size大小更多的內存來增長program break的位置，超出size大小的內存塊會放到空閒內存列表。

 

calloc()函數能夠對一組相同的對象分配內存。

#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t numitems, size_t size);

numitems指定了對象的數量，size指定了每一個對象的大小。成功調用返回內存塊的起始地址，失敗返回NULL。malloc返回的內存不會初始化，而calloc返回的內存塊是已初始化。

 

realloc()函數能夠調整一塊內存的大小。

1 #include <stdlib.h>
2 
3 void *realloc(void *ptr, size_t size);

ptr是須要調整大小的內存塊的指針， size是所需調整大小的指望值。

成功調用會返回指向調整後內存塊的指針（位置可能不一樣），失敗返回NULL。

 

練習：

7-1. 修改程序清單7-1中的程序，在每次執行malloc()後打印出program break的當前至。指定一個較小的內存分配尺寸來運行該程序。這將證實malloc不會在每次調用時都會調用sbrk()來調整program break的位置，而是週期性地分大塊內存，並從中將小片內存返回給調用者。

程序清單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時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("\n");
28 
29     if(argc < 3 || strcmp(argv[1], "--help") == 0)
30         usageErr("%s num-allocs blocksize [step [min [max]]]\n", argv[0]);
31 
32     numAllocs = getInt(argv[1], GN_GT_0, "num-allocs");
33 
34     if(numAllocs > MAX_ALLOCS)
35         cmdLineErr("num-allocs > %d\n", 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\n");
45 
46     printf("Initial program break:          %10p\n", sbrk(0));
47 
48     printf("Allocing %d*%d bytes\n", 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\n", sbrk(0));
57 
58     printf("Freeing blocks from %d to %d in steps of %d\n", 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\n", sbrk(0));
63 
64     exit(EXIT_SUCCESS);
65 }

View Code

 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時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("\n");
28 
29     if(argc < 3 || strcmp(argv[1], "--help") == 0)
30         usageErr("%s num-allocs blocksize [step [min [max]]]\n", argv[0]);
31 
32     numAllocs = getInt(argv[1], GN_GT_0, "num-allocs");
33 
34     if(numAllocs > MAX_ALLOCS)
35         cmdLineErr("num-allocs > %d\n", 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\n");
45 
46     printf("Initial program break:          %10p\n", sbrk(0));
47 
48     printf("Allocing %d*%d bytes\n", 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\n", sbrk(0));
55     }
56 
57     printf("Program break is now:           %10p\n", sbrk(0));
58 
59     printf("Freeing blocks from %d to %d in steps of %d\n", 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\n", sbrk(0));
64 
65     exit(EXIT_SUCCESS);
66 }

測試結果：

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

能夠清楚的看得出來，內存塊只是調用了一次sbrk()來改變program break的位置，分配15塊10個字節的內存塊，只是第一次的時候調用了sbrk分配了1000個字節的內存塊，並將990個字節大小的內存塊放到空閒內存塊列表，供之後malloc的調用使用。。。。