论C语言的malloc,calloc,new,realloc,alloca的机制和区别

最近笔试老是遇到关于C语言的malloc,new之类的内存机制问题，作为一个做java开发的程序员不免有些郁闷，驾驭不了。乘空闲下来的这些时间，好好整理下C语言中各个内存函数的简单机制，作用和区别：

C语言内存分配方式
　　（1） 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
　　（2） 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
　　（3）从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多

C语言的内存申请函数
C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloca,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.
　　其中alloca是向栈申请内存,因此无需释放. malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.
　　calloc则将初始化这部分的内存,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整.申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小;
　　malloc/calloc/free基本上都是C函数库实现的,跟OS无关.C函数库内部通过一定的结构来保存当前有多少可用内存.如果程序malloc的大小超出了库里所留存的空间,那么将首先调用brk系统调用来增加可用空间,然后再分配空间.free时,释放的内存并不立即返回给os,而是保留在内部结构中. 可以打个比方: brk类似于批发,一次性的向OS申请大的内存,而malloc等函数则类似于零售,满足程序运行时的要求.这套机制类似于缓冲.

malloc的机制及与calloc的区别

malloc的底层机制是：操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操作系统收到程序的申请时，就会遍历该链表，然后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后就将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。

malloc()函数有一个参数，即要分配的内存空间的大小：
　　Void *malloc(size_t size);

这里，返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C,C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。而malloc()函数为动态内存分配，原型：extern void *malloc(unsigned int num_bytes); 分配长度为num_bytes字节的内存块。如果分配成功则返回指向被分配内存的指针，分配失败返回空指针NULL。当内存不再使用时，应使用free()函数将内存块释放。动态创建的对象可以用初始化变量的方式初始化：int *pi=new int(100); //指针pi所指向的对象初始化为100，string *ps=new string(10,’9’);//*ps 为“9999999999”

如果不提供显示初始化，对于类类型，用该类的默认构造函数初始化；而内置类型的对象则无初始化。也可以对动态创建的对象做值初始化：int *pi=new int( );//初始化为0，int *pi=new int;//pi 指向一个没有初始化的int，string *ps=new string( );//初始化为空字符串 （对于提供了默认构造函数的类类型，没有必要对其对象进行值初始化）。

　　calloc()函数有两个参数，分别为元素的数目和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小：
　　void*calloc(size_t numElements，size_t sizeOfElement)；
　   如果调用成功，函数malloc()和calloc()都将返回所分配的内存空间的首地址。

malloc() 函数和calloc()函数的主要区别是前者不能初始化所分配的内存空间，而后者能。如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过，则其中 的每一位可能都是0；反之，如果这部分内存空间曾经被分配、释放和重新分配，则其中可能遗留各种各样的数据。也就是说，使用malloc()函数的程序开 始时(内存空间还没有被重新分配)能正常运行，但经过一段时间后(内存空间已被重新分配)可能会出现问题。
　　calloc() 函数会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零，也就是说，如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存，那么这些元素将保证会被初始化为零；如果你是 为指针类型的元素分配内存，那么这些元素通常(但无法保证)会被初始化为空指针；如果你是为实数类型的元素分配内存，那么这些元素可能(只在某些计算机 中)会被初始化为浮点型的零。
　　malloc() 函数和calloc()函数的另一点区别是calloc()函数会返回一个由某种对象组成的数组，但malloc()函数只返回一个对象。为了明确是为一 个数组分配内存空间，有些程序员会选用calloc()函数。但是，除了是否初始化所分配的内存空间这一点之外，绝大多数程序员认 为以下两种函数调用方式没有区别：
　　calloc(numElements ，sizeOfElement)；
　　malloc(numElements *sizeOfElement) ；

当你在calloc()函数和malloc()函数之间作选择时，你只需考虑是否要初始化所分配的内存空间，而不用考虑函数是否能返回一个数组。

当程序运行过程中malloc了,但是没有free的话,会造成内存泄漏.一部分的内存没有被使用,但是由于没有free,因此系统认为这部分内存还在使用,造成不断的向系统申请内存,是的系统可用内存不断减少.但是,内存泄漏仅仅指程序在运行时,程序退出时,OS将回收所有的资源.因此,适当的重起一下程序,有时候还是有点作用.

malloc分配内存时需要注意的问题：

1）申请了内存空间后，必须检查是否分配成功。
2）当不需要再使用申请的内存时，记得释放；释放后应该把指向这块内存的指针指向NULL，防止程序后面不小心使用了它。 
3）这两个函数应该是配对。如果申请后不释放就是内存泄露；如果无故释放那就是什么也没有做。释放只能一次，如果释放两次及两次以上会出现错误（释放空指针例外，释放空指针其实也等于啥也没做，所以释放空指针释放多少次都没有问题）。
4）虽然malloc()函数的类型是(void *),任何类型的指针都可以转换成(void *),但是最好还是在前面进行强制类型转换，因为这样可以躲过一些编译器的检查。

5）一旦删除了指针所指的对象，立即将指针置为0，这样就非常清楚的指明指针不再指向任何对象。（零值指针：int *ip=0;）

malloc和new的区别

1）malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。

2）对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。

3）内存泄漏对于malloc或者new都可以检查出来的，区别在于new可以指明是那个文件的那一行，而malloc没有这些信息。

4）new可以认为是malloc加构造函数的执行。new出来的指针是直接带类型信息的，而malloc返回的都是void指针。

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最后再讨论下一道题：

malloc的内存free后什么情况内存不被os回收（15腾讯笔试题）

1）来自知乎大神的回答：

若是glibc（C语言运行库），你所free掉的内存，不一定会马上被OS回收，这是合理的。试想一下，你每次free掉的内存都还给OS的话，尤其是在小字节的情况下，那么造成的情况，就是一大块的内存被你弄的千疮百孔，也就是说一块内存，里面有很多gap。而在操作系统的虚拟内存管理中，更是管理着的是固定大小的内存，如4K，那你还给我1 Byte，OS显然是很尴尬的。于是为了避免这样的问题，那么内存管理一般会有一个free block list，free掉的东西就放在这里来。那么你可能会释放很散乱的内存过来，没关系，我们在这里会尝试合并这些散乱的block，而malloc首先找的也是free block list，而非从OS申请新的内存。那么此时如果找到了一块儿合适的自然最好，如果找到的是比要的更大，那么一部分malloc，另一部分放回去。而上面有同学提到了小内存的问题，而这也是free block list在头部会有一些所谓的administrative data，所以用标准的malloc和free管理小内存是不高效，因为越小越容易造成gap。

简单点讲，就是free后的内存有时不会给os，而是留给程序，下次申请内存时就申请这块内存。