嵌入式Linux系统编程 — 5.6 Linux系统申请堆内存

1 内存概念

1.1 什么是堆内存

1.2 内存分布

2 malloc、free在堆上分配与释放内存

2.1 malloc函数

2.2 free函数

2.3 示例程序

注意事项：

3 calloc分配内存

3.1 calloc函数介绍

3.2 示例程序

4 分配对齐内存

4.1 函数介绍

4.2 示例程序

1 内存概念

1.1 什么是堆内存

堆内存（Heap Memory）是计算机程序中用于动态内存分配的内存区域。与栈内存（Stack Memory）不同，堆内存的分配和释放不是自动的，而是由程序员通过调用内存分配函数（如C语言中的 malloc 和 free）来控制的。

1.2 内存分布

栈（Stack）：用于存储局部变量和函数调用信息，向高地址增长。
堆（Heap）：用于动态内存分配，向低地址增长。
全局/静态区（Global/Static Area）：存储全局变量和静态变量，生命周期与程序相同。
常量区（Constant Area）：用于存储程序中的常量数据，这些数据在整个程序的生命周期内保持不变，并且在程序的多个地方可能被引用。C语言可以使用 const 关键字来定义常量。
代码区（Code Area）：存储程序的指令。
其他：可能还包括文件缓冲区、环境变量等。

2 malloc、free在堆上分配与释放内存

2.1 malloc函数

Linux C 程序当中一般使用 malloc()函数为程序分配一段堆内存，而使用 free()函数来释放这段内存，先来看下 malloc()函数原型，如下所示：

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);

size：堆上分配一块大小为 size 字节的内存区域。
返回值：返回指向这块内存的指针；如果分配失败（通常是由于内存不足），它会返回 NULL。

2.2 free函数

free 用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 等函数分配的内存。这块内存空间在函数执行完成后不会释放，它们的值是未知的，所以通常需要程序员对 malloc()分配的堆内存进行内存释放操作。通常使用 free()函数释放堆内存， free()函数原型如下所示：

#include <stdlib.h>

void free(void *ptr);

ptr：指向需要被释放的堆内存对应的指针。
返回值：无返回值

2.3 示例程序

下面是一个简单的C语言程序示例，演示了如何使用 malloc 和 free 进行动态内存分配和释放：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // 包含malloc和free函数的头文件

int main() 
{
    int n; // 定义一个整数变量，用于存储数组的大小
    printf("Enter the size of the array you want to create: ");
    scanf("%d", &n); // 从用户那里获取数组的大小

    // 使用malloc动态分配一个整数数组的内存
    int *array = (int *)malloc(n * sizeof(int));
    if (array == NULL) {
        // 如果分配失败，打印错误信息并退出程序
        fprintf(stderr, "Error: Memory allocation failed!\n");
        return 1;
    }

    // 初始化数组
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        array[i] = i * i; // 例如，将数组元素设置为其索引的平方
    }

    // 打印数组内容
    printf("Array elements:\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");

    // 使用完数组后，使用free释放分配的内存
    free(array);

    // 再次打印数组内容，此时应该输出未定义的值
    printf("Attempt to print array after freeing memory:\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", array[i]); // 此处访问已释放的内存，可能导致未定义行为
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

程序通过 malloc 函数动态分配一个整数数组的内存，大小由用户输入决定，用 free 函数释放之前分配的内存。尝试再次打印数组内容，这将导致未定义行为，因为内存已经被释放。运行结果如下：

注意事项：

释放内存后，不应该再访问该内存区域，否则可能导致程序崩溃或产生不可预测的结果。
确保在使用完动态分配的内存后调用 free 函数，以避免内存泄漏。

3 calloc分配内存

3.1 calloc函数介绍

alloc 与 malloc 类似，但有一些关键的区别。calloc 用于分配足够存储一个指定数量的对象的内存块，并且将分配的内存初始化为0。这种分配对于需要从零开始的数组或数据结构非常有用。calloc 函数原型：

#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t num, size_t size);

num：要分配的对象的数量。
size：每个对象的大小（以字节为单位）。
返回值：如果内存分配成功，calloc 返回指向分配内存的指针，并且这块内存的所有字节都被初始化为零。如果内存分配失败，calloc 返回 NULL。

3.2 示例程序

下面是 calloc 函数的示例程序，程序会动态分配一个整数数组的内存，并初始化所有元素为零，然后打印数组的内容，最后释放内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() 
{
    int n; // 数组的大小
    printf("Enter the size of the array you want to create: ");
    scanf("%d", &n); // 从用户那里获取数组的大小

    // 使用calloc动态分配一个整数数组的内存，并初始化为零
    int *array = (int *)calloc(n, sizeof(int));
    if (array == NULL) {
        // 如果分配失败，打印错误信息并退出程序
        fprintf(stderr, "Error: Memory allocation failed!\n");
        return 1;
    }

    // 打印数组内容，此时所有元素都是0
    printf("Array elements (initialized to zero):\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");

    // 可以选择在这里修改数组的某些元素
    // 例如：array[0] = 1; // 将第一个元素设置为1

    // 使用完数组后，使用free释放分配的内存
    free(array);

    // 再次尝试访问数组内容，将会导致未定义行为
    // printf("Attempt to print array after freeing memory: %d\n", array[0]);

    return 0;
}

运行结果如下

4 分配对齐内存

4.1 函数介绍

C 函数库中还提供了一系列在堆上分配对齐内存的函数，对齐内存在某些应用场合非常有必要，常用于分配对其内存的库函数有： posix_memalign()、 aligned_alloc()、 memalign()、valloc()、 pvalloc()，如果不需要特定的对齐，通常使用 malloc() 和 calloc() 就足够了。它们的函数原型如下所示：

posix_memalign()函数：分配一块至少 size 大小的内存，并确保其地址是 alignment 的倍数。如果成功，返回0；如果失败，返回一个错误码。

#include <stdlib.h>

int posix_memalign(void **ptr, size_t alignment, size_t size);

ptr：指向一个 void* 的指针，函数将通过这个指针返回分配的内存的地址。
alignment：所需的内存对齐字节数，必须是2的幂，也必须是 sizeof(void*) 的倍数。
size：要分配的内存大小（以字节为单位）。
功能：

aligned_alloc()函数：分配一块至少 size 大小的内存，并且返回的内存地址是 alignment 的倍数。如果分配成功，返回指向分配内存的指针；如果失败（如对齐要求无法满足），返回 NULL。

#include <stdlib.h>

void *aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

alignment：内存对齐的字节数，必须是2的幂。
size：要分配的内存大小。

memalign()函数：与 posix_memalign 类似，分配一块至少 size 大小的内存，memalign()与 aligned_alloc()参数是一样的，它们之间的区别在于：对于参数 size 必须是参数 alignment
的整数倍这个限制条件， memalign()并没有这个限制条件。

#include <malloc.h>

void *memalign(size_t alignment, size_t size);

alignment：所需的内存对齐字节数。
size：要分配的内存大小。

valloc()函数：分配一块至少 size 大小的内存，并且地址是页面大小的整数倍。页面大小通常为4096字节。

#include <stdlib.h>

void *valloc(size_t size);

size：要分配的内存大小。

pvalloc()函数：分配足够大的内存，以确保至少有一个页面，并且返回的内存地址是页面大小的整数倍。分配的内存大小将是 size 的下一个页面大小的倍数。

#include <malloc.h

void *pvalloc(size_t size);

size：要分配的内存大小，必须是非负整数，并且足够大，以确保分配的内存至少有一个页面。

4.2 示例程序

以下是使用 posix_memalign()、aligned_alloc()、memalign()、valloc() 和 pvalloc() 函数的示例程序。程序使用这些函数来分配内存，并打印出分配的内存地址，以展示内存对齐的效果。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <malloc.h>

int main() 
{
    void *ptr1, *ptr2, *ptr3, *ptr4, *ptr5;
    size_t size = 1024; // 分配大小为1KB的内存
    size_t alignment = 64; // 指定内存对齐到64字节边界

    // 使用posix_memalign分配内存
    if (posix_memalign(&ptr1, alignment, size) != 0) {
        perror("posix_memalign failed");
        return 1;
    }
    printf("Memory allocated by posix_memalign: %p\n", ptr1);

    // 使用aligned_alloc分配内存
    ptr2 = aligned_alloc(alignment, size);
    if (ptr2 == NULL) {
        perror("aligned_alloc failed");
        return 1;
    }
    printf("Memory allocated by aligned_alloc: %p\n", ptr2);

    // 使用memalign分配内存（GNU扩展）
    ptr3 = memalign(alignment, size);
    if (ptr3 == NULL) {
        perror("memalign failed");
        return 1;
    }
    printf("Memory allocated by memalign: %p\n", ptr3);

    // 使用valloc分配内存
    ptr4 = valloc(size);
    if (ptr4 == NULL) {
        perror("valloc failed");
        return 1;
    }
    printf("Memory allocated by valloc: %p\n", ptr4);

    // 使用pvalloc分配内存
    ptr5 = pvalloc(size);
    if (ptr5 == NULL) {
        perror("pvalloc failed");
        return 1;
    }
    printf("Memory allocated by pvalloc: %p\n", ptr5);

    // 释放分配的内存
    free(ptr1);
    free(ptr2);
    free(ptr3); // 注意：memalign分配的内存需要用free释放
    free(ptr4);
    free(ptr5); // 注意：pvalloc分配的内存需要用free释放

    return 0;
}

运行结果如下：

运行结果可以看到每个函数分配的内存地址，地址显示了不同函数分配内存时对齐方式的差异。下面是对每个函数分配结果的分析：

posix_memalign：分配的内存地址是 0x5574280be040，地址的最低几位数字（040）显示了内存对齐的情况，地址是按照16字节对齐的（因为040是16的倍数）。
aligned_alloc：分配的内存地址是 0x5574280beb80，地址的最低几位数字（b80）表明内存也是按照16字节对齐的。
memalign：分配的内存地址是 0x5574280bf000，地址以 000 结尾，表明内存是按照页面大小（通常是4096字节或4KB）对齐的。
valloc：分配的内存地址是 0x5574280c0000，地址以 0000 结尾，进一步证实了 valloc 函数分配的内存确实是按照页面大小对齐的。
pvalloc：分配的内存地址是 0x5574280c1000。同样以 000 结尾，表明这也是页面大小对齐的内存。