堆内存的原理和使用

RNGxiaohu

在一般的编译系统中，堆内存的分配方向和栈内存是相反的。当栈内存从高地址向低地址增长的时候，堆内存从低地址向高地址分配。

在C语言中，堆内存在分配和释放的时候，是程序通过调用C语言的库函数完成的。这和栈内存的分配有区别，栈内存利用的是处理器的硬件机制，而堆内存的处理使用的是库函数。
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我们来看下堆内存的分配情况：

在堆内存的分配过程中，每次分配将返回一个当前分配地址的指针。在程序中如果多次分配内存，可以得到多个内存指针，每个内存指针都是本次分配内存的地址。在释放内存的时候，只需要对每个指针进行操作，那个指针所指向的内存就会被释放，而对其他的内存区域没有影响。

从内存的分配和使用上，可以看出栈内存和堆内存的区别：栈内存只有一个入口点，就是栈指针，栈内存压入和弹出的时候栈指针将发生变化，栈指针标识当前栈区域中已使用和未使用的界限，程序在访问栈内存的时候都只能通过栈指针及其偏移量；而堆内存有多个入口点，每次分配得到的指针是访问内存的入口，每个分配内存区域都可以被单独释放，程序对堆内存可以通过每次分配得到的指针访问。

% s4 _2 F1 E* \; c3 C; R% C  f堆内存有一个整体分配的过程，按照向上的堆内存分配方向。随着堆内存使用量的增加，堆内存将逐渐向高地址分配。这只是一个大体的增长的方面，在堆内存中，已使用的区域和未使用的区域是交错的，而不是像栈区域那样有明显的分界线。
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. I7 {- E8 m! w, D! f  m- O& n堆内存的释放看下面这个图：

看到这样频繁的使用区域和释放，那么很容易看出堆内存是不连续的，跟堆内存的使用方式有关系，这个分配就相对自由灵活了，但是也是会在低地址向高地址发展的方向分配的。
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比如上面释放后再分配就可以是下面两种情况：

先看再次分配1的情况：当新分配的需求比中间（刚刚释放）区域小，那么就会在紧接着的区域给分配。

再看再次分配2的情况：当新分配的需求比中间（释放的）区域大，那么只能往后寻求能给的区域。

当频繁的分配和释放内存的过程中，会很容易出现在两块已经分配的内存之间较小的未分配内存区域，这些其实可以用，但是由于他们的空间比较小，不够连续内存的分配，所以分配的时候就很难再次使用，这些较小的内存就是我们常说的内存碎片。

我们再来聊一下在C程序中堆空间的使用。

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在C语言中，堆内存区域的分配和释放是通过调用库函数来完成的，实现的函数主要有四个：

void *malloc(size_t size);    //分配内存空间

void free(void *ptr);     //释放内存空间

void *calloc(size_t nmemb,size_t size);  //分配内存空间

void *realloc(void * ptr,size_t size);  //重新分配内存空间

注意：使用上面这几个函数需要包含标准库文件 <stdlib.h>

那么库函数怎么使用呢，内存分配了就要有释放，那么常用的就是malloc()和free()两个函数。malloc()函数的输入是需要分配内存的大小，输出是分配内存的指针。如果分配不成功，则返回NULL。

free()函数的输入是需要释放的指针，可以接受任何形式的指针。这个指针必须是由分配函数分配出来的。

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例如：

int *pa;

pa = (int *)malloc(sizeof(int));//分配一个int大小的指针

if(NULL != pa)

{

free(pa);

}

内存使用完成需要释放，以便分配给其他程序使用。

calloc()也是内存分配的，只是可以把分配好的内存区域的初始值全部设置为0。还有这个分配内存有两个参数，第一个是分配单元的大小，第二个是要分配的数目。

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

realloc()有两个参数，一个是指向内存的地址指针，一个是要重分配内存的大小，返回值是指向所分配内存的指针。

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1、当参数指针为NULL的时候，作为malloc使用，分配内存。

2、当重分配内存大小为0的时候，作为free使用，释放内存。

3、当指针和重分配内存大小均不为0的时候，根据指针指向的堆内存区域的情况和指针大小重新分配内存。

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对于realloc()作为重新分配内存的时候，有三种可能出现：

1、缩小内存

2、扩大内存，不需要移动指针

3、扩大内存，需要移动指针（指定内存区域大小不够）

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在堆内存的管理上，主要容易出现以下几个问题：

1、开辟的内存没有释放，造成内存泄漏（系统不会释放任何用户分配的内存）

2、野指针被使用或释放（内存释放后，需要将内存指针置为NULL）

3、非法释放指针（分配了有效内存才存在释放，否则是非法的）

在C语言语法的方面对栈内存和堆内存如何使用没有限制。然后从使用的角度，栈内存更适用于容量较小的单个变量（例如：C语言的基本变量类型、较小的结构体和数组），堆内存则适用于开辟较大块的内存。栈内存由编译器分配和释放，堆内存由程序员分配和释放。

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栈内存只有一个入口点，就是栈指针

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在一般的编译系统中，堆内存的分配方向和栈内存是相反的

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堆内存在分配和释放的时候，是程序通过调用C语言的库函数完成的