內(nèi)存是怎樣一步步被分配出來的？

將Python客棧設(shè)為“星標(biāo)?”

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大家好，今天簡單聊聊內(nèi)存分配。

我們申請一塊內(nèi)存時(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部發(fā)生了什么？看下這句代碼：

這里有兩部分，一個(gè)是malloc，再一個(gè)是你寫的代碼。

malloc實(shí)際上屬于標(biāo)準(zhǔn)庫，標(biāo)準(zhǔn)庫里有什么呢？

數(shù)學(xué)相關(guān)的函數(shù)，sin、cos、絕對(duì)值、數(shù)冪函數(shù)等；字符相關(guān)函數(shù)，判斷大小寫等；字符串操作函數(shù)、字符串拷貝、拼接比較等；當(dāng)然還有內(nèi)存管理函數(shù)，就是這里提到的malloc/free，當(dāng)然還有很多其它函數(shù)，這就是標(biāo)準(zhǔn)庫。

再來看你寫的代碼，什么是你寫的代碼呢？以c語言為例，.c文件就是你寫的代碼，這包括你寫的hello world程序、充滿bug的練習(xí)程序，當(dāng)然還有各種項(xiàng)目。

這就是你寫的代碼。

這些代碼怎么變成最終的可執(zhí)行程序呢？當(dāng)然是借助編譯器。

編譯器會(huì)把你的代碼編譯成目標(biāo)文件。

接著鏈接器出場，連接器會(huì)把目標(biāo)文件和標(biāo)準(zhǔn)庫打包成可執(zhí)行程序。

這就是代碼部分，接下來我們看內(nèi)存分配。

到底什么是內(nèi)存呢？

內(nèi)存實(shí)際上和儲(chǔ)物柜非常相似，儲(chǔ)物柜會(huì)劃分成了一個(gè)一個(gè)大小相同的隔間，每個(gè)隔間可以存儲(chǔ)東西，內(nèi)存的道理也一樣，內(nèi)存也被劃分成了一個(gè)一個(gè)大小相同的隔間，我們來仔細(xì)看一下。

內(nèi)存中的每個(gè)隔間存儲(chǔ)的是一個(gè)字節(jié)，8比特位一字節(jié)。

比如這里申請的一塊int大小的內(nèi)存，一個(gè)int占據(jù)4個(gè)字節(jié)。

和儲(chǔ)物柜一樣，內(nèi)存中的每個(gè)隔間也有一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)叫做內(nèi)存地址。

在我們的實(shí)例中，申請的這塊內(nèi)存位于內(nèi)存地址2這個(gè)位置，這意味著什么嗯？這意味著變量p等于數(shù)字2，或者說等于內(nèi)存地址2，這里的p就是所謂的指針。

接著我們看內(nèi)存分配過程。

這段代碼當(dāng)然屬于編譯后生成的可執(zhí)行程序，可執(zhí)行程序是在內(nèi)存中運(yùn)行的，當(dāng)然我們需要為整個(gè)程序分配一塊內(nèi)存。

程序的運(yùn)行依賴棧區(qū)，這里存放著局部變量等信息；依賴堆區(qū)，這里存放著程序員自己管理的動(dòng)態(tài)申請的內(nèi)存，關(guān)于堆區(qū)和棧區(qū)之前的視頻也有講解；除此之外還依賴代碼區(qū)，這里保存的就是編譯后的之類；還有數(shù)據(jù)區(qū)，這里保存著全局變量等信息。

這些區(qū)域在內(nèi)存中的布局是這樣的：

再次強(qiáng)調(diào)下，編譯后的代碼位于代碼區(qū)，malloc動(dòng)態(tài)申請的內(nèi)存位于堆區(qū)，接下來我們只關(guān)注堆區(qū)。

在程序開始運(yùn)行時(shí)堆區(qū)當(dāng)然是空的，那么所謂的內(nèi)存分配到底是什么呢？如果讓你實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配器該怎么做到呢？很簡單，其實(shí)內(nèi)存分配就是劃分地盤。

此時(shí)要分配第一塊大小為A的內(nèi)存，那么你應(yīng)該把A放在哪里呢？

因?yàn)榇藭r(shí)堆區(qū)是空的，顯然你可以把開始這個(gè)位置劃分給A，作為A的地盤，找到A的地盤后malloc這個(gè)函數(shù)返回，內(nèi)存分配過程結(jié)束，是不是很簡單。

接著程序員又開始申請大小為B的內(nèi)存，道理和A一樣，把A之后的地盤給B即可。

程序員又開始申請大小為C的內(nèi)存，同理。

接著程序員說A占用的這塊內(nèi)存使用完畢，調(diào)用free釋放，所謂釋放就是把A占據(jù)的地盤重新標(biāo)記為空閑，這時(shí)堆區(qū)里還有兩塊空閑內(nèi)存。

接著程序員開始申請大小為D，這時(shí)問題來了，你該從哪里給D劃分地盤呢？

放到第一個(gè)空閑塊嗎？顯然第一個(gè)空閑塊大小不夠。

第二個(gè)呢，第二個(gè)也不夠。

但是你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，仔細(xì)看著兩個(gè)空閑塊，這兩個(gè)空閑塊的總大小實(shí)際上是超過D的。

我們把這種空閑的但是不能用來分配出去的內(nèi)存稱之為內(nèi)存碎片。

你可以想象一下經(jīng)過不斷的內(nèi)存申請和釋放，堆區(qū)中會(huì)存在無數(shù)這樣空閑內(nèi)存碎片。

碎片化的內(nèi)存顯然不利于內(nèi)存的充分利用，計(jì)算機(jī)科學(xué)歷史上有無數(shù)論文試圖來解決這個(gè)問題。

現(xiàn)在堆區(qū)已經(jīng)不足以為D申請出內(nèi)存，該怎么辦呢？

讓我們回到最初的布局，注意看堆區(qū)和棧區(qū)中間實(shí)際上還有一段空閑內(nèi)存區(qū)域，這塊區(qū)域就是為堆區(qū)或棧區(qū)來擴(kuò)大地盤用的，那么該怎么擴(kuò)大堆區(qū)呢？

這就要借助操作系統(tǒng)的幫助了。

在linux等系統(tǒng)中可以借助brk等系統(tǒng)調(diào)用向操作系統(tǒng)申請來擴(kuò)大堆區(qū)。

現(xiàn)在堆區(qū)擴(kuò)容完畢，此時(shí)就可以在堆區(qū)中找出一塊合適的空閑內(nèi)存分配給D，到這時(shí)malloc這個(gè)過程才真正結(jié)束，這實(shí)際上是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。

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