new和malloc的地址分配問題

life4711發表於2016-03-13
從函式宣告上可以看出。malloc 和 new 至少有兩個不同: new 返回指定型別的指標，並且可以自動計算所需要大小。比如：
int *p;
p = new int;
//返回型別為int* 型別(整數型指標)，分配大小為 sizeof(int);


或：
int* parr;
parr = new int [100]; 
//返回型別為 int* 型別(整數型指標)，分配大小為 sizeof(int) * 100;


而 malloc 則必須要由我們計算位元組數，並且在返回後強行轉換為實際型別的指標。
int* p;
p = (int *)malloc (sizeof(int)*128);
//分配128個（可根據實際需要替換該數值）整型儲存單元，
//並將這128個連續的整型儲存單元的首地址儲存到指標變數p中
double *pd=(double *)malloc (sizeof(double)*12);
//分配12個double型儲存單元，
//並將首地址儲存到指標變數pd中


第一、malloc 函式返回的是 void * 型別。對於C++，如果你寫成：p = malloc (sizeof(int)); 則程式無法通過編譯，報錯：“不能將 void* 賦值給 int * 型別變數”。所以必須通過 (int *) 來將強制轉換。而對於C，沒有這個要求，但為了使C程式更方便的移植到C++中來，建議養成強制轉換的習慣。
第二、函式的實參為 sizeof(int) ，用於指明一個整型資料需要的大小。如果你寫成：
int* p = (int *)malloc (1);


程式碼也能通過編譯，但事實上只分配了1個位元組大小的記憶體空間，當你往裡頭存入一個整數，就會有3個位元組無家可歸，而直接“住進鄰居家”！造成的結果是後面的記憶體中原有資料內容被改寫。
 
下面一段話的原理講的比較清晰
malloc函式的實質體現在，它有一個將可用的記憶體塊連線為一個長長的列表的所謂空閒連結串列。呼叫malloc函式時，它沿連線表尋找一個大到足以滿足使用者請求所需要的記憶體塊。然後，將該記憶體塊一分為二（一塊的大小與使用者請求的大小相等，另一塊的大小就是剩下的位元組）。接下來，將分配給使用者的那塊記憶體傳給使用者，並將剩下的那塊（如果有的話）返回到連線表上。呼叫free函式時，它將使用者釋放的記憶體塊連線到空閒鏈上。到最後，空閒鏈會被切成很多的小記憶體片段，如果這時使用者申請一個大的記憶體片段，那麼空閒鏈上可能沒有可以滿足使用者要求的片段了。於是，malloc函式請求延時，並開始在空閒鏈上翻箱倒櫃地檢查各記憶體片段，對它們進行整理，將相鄰的小空閒塊合併成較大的記憶體塊。如果無法獲得符合要求的記憶體塊，malloc函式會返回NULL指標，因此在呼叫malloc動態申請記憶體塊時，一定要進行返回值的判斷。
 

二、malloc()到底從哪裡得來了記憶體空間：

1、malloc()到底從哪裡得到了記憶體空間？答案是從堆裡面獲得空間。也就是說函式返回的指標是指向堆裡面的一塊記憶體。作業系統中有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列。當作業系統收到程式的申請時，就會遍歷該連結串列，然後就尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後就將該結點從空閒結點連結串列中刪除，並將該結點的空間分配給程式。就是這樣！

   說到這裡，不得不另外插入一個小話題，相信大家也知道是什麼話題了。什麼是堆？說到堆，又忍不住說到了棧！什麼是棧？下面就另外開個小部分專門而又簡單地說一下這個題外話：

2、什麼是堆：堆是大家共有的空間，分全域性堆和區域性堆。全域性堆就是所有沒有分配的空間，區域性堆就是使用者分配的空間。堆在作業系統對程式 初始化的時候分配，執行過程中也可以向系統要額外的堆，但是記得用完了要還給作業系統，要不然就是記憶體洩漏。

   什麼是棧：棧是執行緒獨有的，儲存其執行狀態和區域性自動變數的。棧線上程開始的時候初始化，每個執行緒的棧互相獨立。每個函式都有自己的棧，棧被用來在函式之間傳遞引數。作業系統在切換執行緒的時候會自動的切換棧，就是切換SS/ESP暫存器。棧空間不需要在高階語言裡面顯式的分配和釋放。

   以上的概念描述是標準的描述，不過有個別語句被我刪除，不知道因為這樣而變得不標準了^_^.

   通過上面對概念的描述，可以知道：

   棧是由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值、區域性變數的值等。操作方式類似於資料結構中的棧。

   堆一般由程式設計師分配釋放，若不釋放，程式結束時可能由OS回收。注意這裡說是可能，並非一定。所以我想再強調一次，記得要釋放！

注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列。（這點我上面稍微提過）

 

 所以，舉個例子，如果你在函式上面定義了一個指標變數，然後在這個函式裡申請了一塊記憶體讓指標指向它。實際上，這個指標的地址是在棧上，但是它所指向的內容卻是在堆上面的！這一點要注意！所以，再想想，在一個函式裡申請了空間後，比如說下面這個函式：

程式程式碼：
   // code... 
       void Function(void) 
       { 
        char *p = (char *)malloc(100 * sizeof(char)); 
    }


  
   就這個例子，千萬不要認為函式返回，函式所在的棧被銷燬指標也跟著銷燬，申請的記憶體也就一樣跟著銷燬了！這絕對是錯誤的！因為申請的記憶體在堆上，而函式所在的棧被銷燬跟堆完全沒有啥關係。所以，還是那句話：記得釋放！

3、free()到底釋放了什麼

   這個問題比較簡單，其實我是想和第二大部分的題目相呼應而已！哈哈！free()釋放的是指標指向的記憶體！注意！釋放的是記憶體，不是指標！這點非常非常重要！指標是一個變數，只有程式結束時才被銷燬。釋放了記憶體空間後，原來指向這塊空間的指標還是存在！只不過現在指標指向的內容的垃圾，是未定義的，所以說是垃圾。因此，前面我已經說過了，釋放記憶體後把指標指向NULL，防止指標在後面不小心又被解引用了。非常重要啊這一點！

   好了！這個“題外話”終於說完了。就這麼簡單說一次，知道個大概就可以了！下面就進入第三個部分：

三、malloc()以及free()的機制：

   這個部分我今天才有了新的認識！而且是轉折性的認識！所以，這部分可能會有更多一些認識上的錯誤！不對的地方請大家幫忙指出！

   事實上，仔細看一下free()的函式原型，也許也會發現似乎很神奇，free()函式非常簡單，只有一個引數，只要把指向申請空間的指標傳遞

給free()中的引數就可以完成釋放工作！這裡要追蹤到malloc()的申請問題了。申請的時候實際上佔用的記憶體要比申請的大。因為超出的空間是用來記錄對這塊記憶體的管理資訊。先看一下在《UNIX環境高階程式設計》中第七章的一段話：

   大多數實現所分配的儲存空間比所要求的要稍大一些，額外的空間用來記錄管理資訊——分配塊的長度，指向下一個分配塊的指標等等。這就意味著如果寫過一個已分配區的尾端，則會改寫後一塊的管理資訊。這種型別的錯誤是災難性的，但是因為這種錯誤不會很快就暴露出來，所以也就很難發現。將指向分配塊的指標向後移動也可能會改寫本塊的管理資訊。

   以上這段話已經給了我們一些資訊了。malloc()申請的空間實際我覺得就是分了兩個不同性質的空間。一個就是用來記錄管理資訊的空間，另外一個就是可用空間了。而用來記錄管理資訊的實際上是一個結構體。在C語言中，用結構體來記錄同一個物件的不同資訊是

天經地義的事！下面看看這個結構體的原型：

程式程式碼：
   struct mem_control_block { 
    int is_available;    //這是一個標記？ 
    int size;            //這是實際空間的大小 
    };


  
   對於size,這個是實際空間大小。這裡其實我有個疑問，is_available是否是一個標記？因為我看了free()的原始碼之後對這個變數感覺有點納悶（原始碼在下面分析）。這裡還請大家指出！

   所以，free()就是根據這個結構體的資訊來釋放malloc()申請的空間！而結構體的兩個成員的大小我想應該是作業系統的事了。但是這裡有一個問題，malloc()申請空間後返回一個指標應該是指向第二種空間，也就是可用空間！不然，如果指向管理資訊空間的話，寫入的內容和結構體的型別有可能不一致，或者會把管理資訊遮蔽掉，那就沒法釋放記憶體空間了，所以會發生錯誤！（感覺自己這裡說的是廢話）

   好了！下面看看free()的原始碼，我自己分析了一下，覺得比起malloc()的原始碼倒是容易簡單很多。只是有個疑問，下面指出！

程式程式碼：
   // code... 
    
       void free(void *ptr)  
    { 
            struct mem_control_block *free; 
            free = ptr - sizeof(struct mem_control_block); 
            free->is_available = 1; 
            return; 
    }

   看一下函式第二句，這句非常重要和關鍵。其實這句就是把指向可用空間的指標倒回去，讓它指向管理資訊的那塊空間，因為這裡是在值上減去了一個結構體的大小！後面那一句free->is_available = 1;我有點納悶！我的想法是：這裡is_available應該只是一個標記而已！因為從這個變數的名稱上來看，is_available 翻譯過來就是“是可以用”。不要說我土！我覺得變數名字可以反映一個變數的作用，特別是嚴謹的程式碼。這是原始碼，所以我覺得絕對是嚴謹的！！這個變數的值是1，表明是可以用的空間！只是這裡我想了想，如果把它改為0或者是其他值不知道會發生什麼事？！但是有一點我可以肯定，就是釋放絕對不會那麼順利進行！因為這是一個標記！

   當然，這裡可能還是有人會有疑問，為什麼這樣就可以釋放呢？？我剛才也有這個疑問。後來我想到，釋放是作業系統的事，那麼就free()這個原始碼來看，什麼也沒有釋放，對吧？但是它確實是確定了管理資訊的那塊記憶體的內容。所以，free()只是記錄了一些資訊，然後告訴作業系統那塊記憶體可以去釋放，具體怎麼告訴作業系統的我不清楚，但我覺得這個已經超出了我這篇文章的討論範圍了。

   那麼，我之前有個錯誤的認識，就是認為指向那塊記憶體的指標不管移到那塊記憶體中的哪個位置都可以釋放那塊記憶體！但是，這是大錯特錯！釋放是不可以釋放一部分的！首先這點應該要明白。而且，從free()的原始碼看，ptr只能指向可用空間的首地址，不然，減去結構體大小之後一定不是指向管理資訊空間的首地址。所以，要確保指標指向可用空間的首地址！不信嗎？自己可以寫一個程式然後移動指向可用空間的指標，看程式會有會崩！

   最後可能想到malloc()的原始碼看看malloc()到底是怎麼分配空間的，這裡面涉及到很多其他方面的知識！有興趣的朋友可以自己去下載源
程式碼去看看。

//部分轉載自http://www.bccn.net/Article/kfyy/cyy/jszl/200608/4238_2.html 

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