C语言动态内存分配

 前言

首先要明白为何需要动态内存分配，语言动熟悉C语言的态内读者应该对这个比较熟悉，需要一段内存时会使用malloc函数来申请所需要大小的存分内存，函数返回一段内存的语言动首地址。简单来说，态内动态内存分配的存分好处在于需要内存的时候可以按需分配，当不需要内存的语言动时候可以将其释放掉，这样可以高效的态内利用内存。下面本文从零开始实现一个完整的存分动态内存分配。

简单动态内存分配实现

内存分配是语言动将没有使用的内存块给需要的变量（普通变量、指针变量、态内结构体变量等等）使用，存分由于其使用后需要进行释放，语言动这就会导致空闲的态内内存是分散在内存池中的。因此，存分必须要对内存进行管理，也就是对内存的使用情况做标记。

上图是服务器托管一个内存池使用后的某一时刻，可以看到，使用的块和没有使用的块并不是连续的，这样就需要用一个表对其进行标记，这个表称为BitMap。假设现在将内存按照每个Byte进行划分，然后用一个bit对块进行标记，1表示已使用，0表示没有使用，这样一个块需要一个bit。

下面来用C语言来实现这个简单的动态内存分配。 

#include <stdio.h>  #define MEM_POOL_SIZE  64  unsigned char MemPool[MEM_POOL_SIZE];  unsigned char BitMap[MEM_POOL_SIZE/8]={ 0};  //BitMap[0] MSB->LSB  MemPool[0 ~ 8]  //BitMap[1] MSB->LSB  MemPool[9 ~15]  //BitMap[2] MSB->LSB  MemPool[16~23]  // ...  void InitMemAlloc(void)  {       int i=MEM_POOL_SIZE;      while(i--)      {           MemPool[i]=0;      }      i=MEM_POOL_SIZE/8;      while(i--)      {           BitMap[i]=0;      }  }  void *MemAlloc(unsigned int m_size)  {       unsigned int i=0,j=0,k=0,index=0,count=0,mapv=0,cache;      if(m_size>MEM_POOL_SIZE)      {           return NULL;      }      else      {           for(;i<MEM_POOL_SIZE/8;i++)          {               mapv=BitMap[i];   //取出高位              for(j=0;j<8;j++)              {                   cache=(mapv&0x80);                  if(cache==0)                  {                       count++;                      if(count==m_size)                     {                           for(;k<m_size;k++)                          {                               BitMap[(index+k)/8]|=(1<<(7-((index+k)%8)));                          }                          return &MemPool[index];                      }                  }                  else                  {                       count=0;                      iindex=i*8+j+1;                  }                  mapv<<=1;              }          }          return NULL;      }  }   void MemFree(void *p,unsigned int m_size)  {       unsigned int k=0,index=(((unsigned int)p)-(unsigned int)MemPool);      for(;k<m_size;k++)      {           BitMap[(index+k)/8]&=~(1<<(7-((index+k)%8)));      }  }  void MemPrintBitMap(void)  {       unsigned int i,j,value;        for(i=0;i<MEM_POOL_SIZE/8;i++)      {           value=BitMap[i];          for(j=0;j<8;j++)          {               if(value&0x80)                  printf("1 ");              else                  printf("0 ");              value<<=1;          }          printf("\n");      }  }  double MemGetUsedPercent(void)  {       unsigned int i,j,value;      double ret=0.0;      for(i=0;i<MEM_POOL_SIZE/8;i++)      {           value=BitMap[i];          for(j=0;j<8;j++)          {               if(value&0x80)                  ret++;              value<<=1;          }      }      return (ret*100)/MEM_POOL_SIZE; }  int main(int argc, char **argv)  {       int *p=MemAlloc(10);      printf("The pool is used=%f\n",MemGetUsedPercent());      MemPrintBitMap();      int *q=MemAlloc(5);      printf("The pool is used=%f\n",MemGetUsedPercent());      MemPrintBitMap();     MemFree(p,5);      printf("The pool is used=%f\n",MemGetUsedPercent());      MemPrintBitMap();      return 0;  } 

最终终端输出结果如下：

上面已经实现了一个简单的动态内存分配，可以完成内存的分配和释放以及输出使用率和查看位图。这种方式实现的动态内存分配不会产生内部碎片，这也是其优势所在，但其缺点很明显就是利用率太低。

实用的动态内存分配

细心的读者可能已经发现上面的简单动态内存分配有一个缺点，就是一个bit只能表示一个字节，源码下载也就是说表示8个字节就需要一个字节的位图，这种映射导致其内存的

这对于很多情况是比较浪费的。为了提高利用率，就必须将映射块的粒度增大，也就是一个Bit的映射范围对应多个字节。

上图给出了一个bit映射到64Byte，这样：

虽然利用率变高了，但是其会产生内部碎片，所谓内部碎片就是在最小粒度内无法使用的内存空间，为何这个空间无法使用了，原因在于当在申请内存块的时候，其内存只能以64B对齐的，即使小于64B，也得按64B来看作，因为这个粒度已经被bitmap标记使用了，当下次使用时，其无法被分配。因此，可以看到，粒度越大，亿华云计算其可能产生的内部内存碎片越大，内存利用率和碎片是需要权衡了，好的算法只能解决外部碎片问题，无法解决内部碎片问题，因此在实现动态内存分配时必须权衡考虑，以达到最优结果。