第 7 章 内存分配 (Memory Allocation)

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
#include <unistd.h>

int brk(void *end_data_segment);
// 设置 program break 到 end_data_segment；返回 0 成功，-1 失败

void *sbrk(intptr_t increment);
// 增加 program break（可负数）；返回旧 program break 地址

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
// 查询 program break
void *current_brk = sbrk(0);
printf("Current program break: %p\n", current_brk);

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);
// 分配 size 字节；返回对齐的指针（8/16 字节对齐）；失败返回 NULL
// 内存未初始化

void free(void *ptr);
// 释放 ptr 指向的内存；ptr 必须是 malloc/calloc/realloc 返回值
// free(NULL) 无操作
// 不要重复 free；不要 free 非 malloc 返回的指针

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
char *p = malloc(1024);
if (p == NULL) errExit("malloc");
strcpy(p, "hello");
// ... 使用 p ...
free(p);
p = NULL;  // 避免 double free

已分配块：
[L |-------- 内存空间 --------]
 ^
 块头部：长度 L
 ↑ 返回给用户的指针

空闲链表块：
[L | P_prev | P_next |... 剩余空闲空间 ...]
      ^           ^
      双向链表指针

$ ./free_and_sbrk 1000 10240 2
Initial program break:           0x804a6bc
Allocating 1000*10240 bytes
Program break is now:            0x8a13000
Freeing blocks from 1 to 1000 in steps of 2
After free(), program is now:    0x8a13000   # program break 没变
                                    # 空闲块在链表中等待复用

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
// 分配 nmemb*size 字节并清零；溢出检查；失败返回 NULL

void *realloc(void *ptr, size_t size);
// 调整大小；可能移动；旧 ptr 失效；失败返回 NULL（不修改原 ptr）

int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);
// 分配按 alignment 对齐的内存；alignment 必须是 2 的幂且 sizeof(void*) 的倍数
// 成功返回 0；错误返回错误码（不设置 errno）

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
// 动态字符串缓冲区
char *buf = NULL;
size_t cap = 0;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    cap += 16;
    char *new_buf = realloc(buf, cap);
    if (new_buf == NULL) errExit("realloc");
    buf = new_buf;
    // ... 使用 buf ...
}
free(buf);

// 对齐分配（SIMD）
void *p;
if (posix_memalign(&p, 32, 1024) != 0) errExit("posix_memalign");
// p 现在是 32 字节对齐
free(p);

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
#include <alloca.h>

void *alloca(size_t size);
// 在栈帧上分配 size 字节；函数返回时自动释放
// 失败无明确错误（栈溢出 → SIGSEGV）
// 不要对 alloca 返回的指针调用 free

// 摘自《The Linux Programming Interface》第 7 章
void process(int n) {
    char *buf = alloca(n);  // n 字节在栈上
    // ... 使用 buf ...
    // 函数返回时自动释放，无须 free
}

# ASan 编译
$ gcc -g -O0 -fsanitize=address -o prog prog.c
$ ./prog
# 越界写入立即报告

# valgrind 检测泄漏
$ valgrind --leak-check=full ./prog
# 报告: "definitely lost: 1024 bytes in 1 blocks"

# MALLOC_CHECK_
$ MALLOC_CHECK_=3 ./prog
# double free 时输出错误到 stderr