《Linux/Unix系统编程手册》读书笔记4

《Linux/Unix系统编程手册》读书笔记 目录

第7章：

内存分配

通过增加堆的大小分配内存，通过提升program break位置的高度来分配内存。

基本学过C语言的都用过malloc来分配内存，而malloc都基于brk()和sbrk()。

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

brk()系统调用会将program break设置为end_data_segment的位置。成功调用返回0,失败返回-1。

sbrk()系统调用会将program break原来的位置增加increment的大小。成功调用返回原来program break的位置，失败返回(void *)-1。

PS：sbrk(0)返回program break的当前位置。

 

malloc()函数，C使用该函数在堆上分配和释放内存。

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

malloc分配size字节大小的内存。并返回指向新分配的内存的起始位置的指针，该内存未经初始化；失败返回NULL。

通常对返回的指针进行显式类型转换来获得自己想要的类型的指针。

实际上每次调用malloc分配内存时，会额外分配多几个字节来记录这块内存的大小。（如下图所示）

free()函数用来释放内存块。

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

free释放ptr指向的内存块，ptr必须是malloc、calloc、realloc返回的指针。

free不会降低program break的位置，而是将该内存添加到空闲内存列表，用于以后malloc使用。

PS：不能对已经调用过free函数的指针，再次调用free，这样会产生错误。

 因为malloc分配后的内存会有内存块的长度，所以free会知道这块内存的大小，从而准确的将内存块释放，并放入空闲内存块列表中。

PS：因此不能用free随便释放不是malloc返回的指针。

经过free释放后的内存块结构如下：

其实malloc调用是先查找空闲内存块列表，找到合适的内存块。如果找不到合适的内存块就调用sbrk()来分配更多的内存，为了减少调用sbrk的次数，会分配比size大小更多的内存来增加program break的位置，超出size大小的内存块会放到空闲内存列表。

 

calloc()函数可以对一组相同的对象分配内存。

#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t numitems, size_t size);

numitems指定了对象的数量，size指定了每个对象的大小。成功调用返回内存块的起始地址，失败返回NULL。malloc返回的内存不会初始化，而calloc返回的内存块是已初始化。

 

realloc()函数可以调整一块内存的大小。

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

ptr是需要调整大小的内存块的指针， size是所需调整大小的期望值。

成功调用会返回指向调整后内存块的指针（位置可能不同），失败返回NULL。

 

练习：

7-1. 修改程序清单7-1中的程序，在每次执行malloc()后打印出program break的当前至。指定一个较小的内存分配尺寸来运行该程序。这将证明malloc不会在每次调用时都会调用sbrk()来调整program break的位置，而是周期性地分大块内存，并从中将小片内存返回给调用者。

程序清单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时37分09秒
10  *       Revision:  none
11  *       Compiler:  gcc
12  *
13  *         Author:  alan (), [email protected]
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时37分09秒
10  *       Revision:  none
11  *       Compiler:  gcc
12  *
13  *         Author:  alan (), [email protected]
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 }

测试结果：

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

可以清楚的看得出来，内存块只是调用了一次sbrk()来改变program break的位置，分配15块10个字节的内存块，只是第一次的时候调用了sbrk分配了1000个字节的内存块，并将990个字节大小的内存块放到空闲内存块列表，供以后malloc的调用使用。。。。