C 語言中的動態(tài)內(nèi)存管理和動態(tài)內(nèi)存分配是指在程序運行過程中,通過一些函數(shù)動態(tài)地管理和分配內(nèi)存,以便更加靈活地使用系統(tǒng)資源。以下是 C 語言中的動態(tài)內(nèi)存管理和動態(tài)內(nèi)存分配原理:
一、動態(tài)內(nèi)存管理
動態(tài)內(nèi)存管理指的是在程序運行期間通過動態(tài)內(nèi)存分配和釋放的方式來管理內(nèi)存。常見的動態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)包括 malloc、calloc、realloc 和 free 等。
malloc 函數(shù)
malloc 函數(shù)用于在堆中分配指定大小的內(nèi)存空間,返回一個指向該內(nèi)存塊的指針。該函數(shù)原型為:
void* malloc(size_t size);
其中,size 參數(shù)表示要分配的內(nèi)存空間大小,單位為字節(jié)。如果分配成功,返回的指針指向一段大小為 size 的連續(xù)內(nèi)存塊;如果分配失敗,則返回 NULL。
calloc 函數(shù)
calloc 函數(shù)也用于在堆中分配指定大小的內(nèi)存空間,與 malloc 函數(shù)不同的是,calloc 函數(shù)還會初始化所分配的內(nèi)存空間,將每個字節(jié)都設(shè)置為 0。該函數(shù)原型為:
void* calloc(size_t num, size_t size);
其中,num 參數(shù)表示要分配的元素個數(shù),size 參數(shù)表示每個元素的大小。如果分配成功,返回的指針指向一段大小為 num * size 的連續(xù)內(nèi)存塊;如果分配失敗,則返回 NULL。
realloc 函數(shù)
realloc 函數(shù)用于改變先前通過 malloc 或 calloc 分配的內(nèi)存空間大小。該函數(shù)原型為:
void* realloc(void* ptr, size_t size);
其中,ptr 參數(shù)表示要重新分配大小的內(nèi)存空間的指針,size 參數(shù)表示需要重新分配的大小。如果重新分配成功,則返回指向新分配內(nèi)存空間的指針;如果重新分配失敗,則返回 NULL。
free 函數(shù)
free 函數(shù)用于釋放先前通過 malloc、calloc 或 realloc 分配的內(nèi)存空間。該函數(shù)原型為:
void free(void* ptr);
其中,ptr 參數(shù)表示要釋放的內(nèi)存空間的指針。釋放成功后,該指針指向的內(nèi)存空間會變?yōu)槲炊x狀態(tài)。
二、動態(tài)內(nèi)存分配原理
動態(tài)內(nèi)存分配采用的是在運行期間從系統(tǒng)中獲取一段連續(xù)的內(nèi)存空間,并進行存取和釋放操作。在 C 語言中,通過調(diào)用 malloc、calloc、realloc 和 free 等內(nèi)存管理函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配。
當(dāng)程序調(diào)用 malloc 函數(shù)分配內(nèi)存時,操作系統(tǒng)內(nèi)核會通過系統(tǒng)調(diào)用 brk 或 mmap 分配一段連續(xù)的虛擬內(nèi)存空間。然后 malloc 函數(shù)會將這一段連續(xù)的虛擬內(nèi)存映射為一塊連續(xù)的物理內(nèi)存,用于存放分配出的內(nèi)存空間。
當(dāng)程序調(diào)用 free 函數(shù)釋放內(nèi)存時,malloc 函數(shù)會根據(jù)待釋放內(nèi)存塊的指針地址,訪問內(nèi)存塊頭部,獲取該內(nèi)存塊的大小信息,并將內(nèi)存塊標(biāo)記為可用狀態(tài)。如果相鄰的空閑內(nèi)存塊存在,則進行內(nèi)存合并,形成一個更大的空閑內(nèi)存塊。
因此,動態(tài)內(nèi)存分配的原理在于:通過調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)分配一段虛擬內(nèi)存空間,用于存放分配出的內(nèi)存空間。分配和釋放內(nèi)存塊時,通過訪問內(nèi)存塊頭部信息實現(xiàn)內(nèi)存大小的管理,并通過內(nèi)存合并操作來充分利用空閑內(nèi)存塊提高內(nèi)存利用率。