《操作系统导论》第14章读书笔记：插叙：内存操作API

—— 杭州 2024-03-30 夜

1.内存类型

1.1.栈内存：它的申请和释放操作是编译器来隐式管理的，所以有时也称为自动（automatic）内存。

void func() {
    int x; // declares an integer on the stack
    ...
}

1.2.堆（heap）内存:其中所有的申请和释放操作都由程序员显式地完成。

void func() {
    int *x = (int *) malloc(sizeof(int));
    ...
}

• 关于这一小段代码有两点说明。首先，你可能会注意到栈和堆的分配都发生在这一行：首先编译器看到指针的声明（int * x）时，知道为一个整型指针分配空间，随后，当程序调用malloc()时，它会在堆上请求整数的空间，函数返回这样一个整数的地址（成功时，失败时则返回NULL），然后将其存储在栈中以供程序使用。

2.malloc()调用

• malloc 函数非常简单：传入要申请的堆空间的大小，它成功就返回一个指向新申请空间的指针，失败就返回NULL。man 手册展示了使用malloc 需要怎么做，在命令行输入man malloc，你会看到：

#include <stdlib.h>
...
void *malloc(size_t size);

• 你也可以传入一个变量的名字（而不只是类型）给sizeof()，但在一些情况下，可能得不到你要的结果，所以要小心使用。例如，看看下面的代码片段：

int *x = malloc(10 * sizeof(int));
printf("%d\n", sizeof(x));

• 在第一行，我们为10个整数的数组声明了空间，这很好，很漂亮。但是，当我们在下一行使用sizeof()时，它将返回一个较小的值，例如4（在32位计算机上）或8（在64 位计算机上）。原因是在这种情况下，sizeof()但为我们只是问一个整数的指针有多大，而不是我们动态分配了多少内存。
  但是，有时sizeof()的确如你所期望的那样工作：

int x[10];
printf("%d\n", sizeof(x));

• 在这种情况下，编译器有足够的静态信息，知道已经分配了40个字我。另一个需要注意的地方是使用字符串。如果为一个字符串声明空间，请使用以下习惯用法：malloc(strlen(s) + 1)，它使用函数strlen()获取字符串的长度，并加上1，以便为字符串结束符留出空间。这里使用sizeof()可能会导致麻烦。
• 你也许还注意到malloc()返回一个指向void类型的指针。这样做只是C中传回地址的方式，让程序员决定如何处理它。程序员将进一步使用所谓的强制类型转换（cast），在我们上面的示例中，程序员将返回类型的malloc()强制转换为指向double的指针。强制类型转换实实上没干什么事，只是告诉编译器和其他可能正在读你的代码的程序员：“是的，我知道我在做什么。”通过强制转换malloc()的结果，程序员只是在给人一些信心，强制转换不是程序正确所必须的。

3.free()调用

• 事实证明，分配内存是等式的简单部分。知道何时、如何以及是否释放内存是困难的部分。要释放不再使用的堆内存，程序员只需调用free()：

int *x = malloc(10 * sizeof(int));
...
free(x);

• 该函数接受一个参数，即一个由malloc()返回的指针。因此，你可能会注意到，分配区域的大小不会被用户传入，必须由内存分配库本身记录追踪。

4.常见错误

4.1.忘记分配内存

许多例程在调用之前，都希望你为它们分配内存。例如，例程strcpy(dst, src)将源字符串中的字符串复制到目标指针。但是，如果不小心，你可能会这样做：

char *src = "hello";
char *dst; // oops! unallocated
strcpy(dst, src); // segfault and die

运行这段代码时，可能会导致段错误（segmentation fault）。

• 仅仅因为程序编译过了甚至正确运行了一次或多次，并不意味着程序是正确的。

在这个例子中，正确的代码可能像这样：

char *src = "hello";
char *dst = (char *) malloc(strlen(src) + 1);
strcpy(dst, src); // work properly

或者你可以用strdup()，让生活本加轻松。

4.2.没有分配足够的内存：缓冲区溢出（buffer overflow）

char *src = "hello";
char *dst = (char *) malloc(strlen(src)); // too small!
strcpy(dst, src); // work properly

奇怪的是，这个程序通常看起来会正确运行，这取决于如何实现malloc 和许多其他细节。在某些情况下，当字符串拷贝执行时，它会在超过分配空间的末尾处写入一个字节，但在某些情况下，这是无害的，可能会覆盖不再使用的变量。在某些情况下，这些溢出可能具有令人难以置信的危害，实实上是系统中许多安全漏洞的来源。在其他情况下，malloc库总是分配一些额外的空间，因此你的程序实际上不会在其他某个变量的值上涂写，并且工作得很好。还有一些情况下，该程序确实会发生故障和崩溃。

• 一个宝贵的教训：即使它正确运行过一次，也不意味着它是正确的。

4.3.忘记初始化分配的内存

4.4.忘记释放内存：内存泄露（memory leak）

另一个常见错误称为内存泄露（memory leak），如果忘记释放内存，就会发生。

• 在长时间运行的应用程序或系统（如操作系统本身）中，这是一个巨大的问题，因为缓慢泄露的内存会导致内存不足，此时需要重新启动。因此，一般来说，当你用完一段内存时，应该确保释放它。请注意，使用垃圾收集语言在这里没有什么帮助：如果你仍然拥有对某块内存的引用，那么垃圾收集器就不会释放它，因此即使在较现代的语言中，内存泄露仍然是一个问题。
• 在某些情况下，不调用free()似乎是合理的。例如，你的程序运行时间很短，很块就会退出。在这种情况下，当进程死亡时，操作系统将清理其分配的所有页面，因此不会发生内存泄露。虽然这肯定“有效”（请参阅后面的补充），但这可能是一个坏习惯，所以请谨慎选择这样的策略。长远来看，作为程序员的目标之一是养成良好的习惯。其中一个习惯是理解如何管理内存，并在C这样的语言中，释放分配的内存块。即使你不这样做也可以逃脱惩罚，建议还是养成习惯，释放显式分配的每个字节。

4.5.在用完之前释放内存：悬挂指针（dangling pointer）

有时候程序会在用完之前释放内存，这种错误称为悬挂指针（dangling pointer），正如你猜测的那样，这也是一件坏事。随后的使用可能会导致程序崩溃或覆盖有效的内存（例如，你调用了free()，但随后再次调用malloc()来分配其他内容，这重新利用了错误释放的内存）。

4.6.反复释放内存

4.7.错误地调用free()

4.8.补充：为什么在你的进程退出时没有内存泄露

• 当你编写一个短时间运行的程序时，可能会使用malloc()分配一些空间。程序运行并即将完成：是否需要在退出前调用几次free()？虽然不释放似乎不对，但在真正的意义上，没有任何内存会“丢失”。原因很简单：系统中实际存在两级内存管理。

• 第一级是由操作系统执行的内存管理，操作系统在进程运行时将内存交给进程，并在进程退出（或以其他方式结束）时将其回收。第二级管理在每个进程中，例如在调用malloc()和free()时，在堆内管理。即使你没有调用free()（并因此泄露了堆中的内存），操作系统也会在程序结束运行时，收回进程的所有内存（包括用于代码、栈，以及相关堆的内存页）。无论地址空间中堆的状态如何，操作系统都会在进程终止时收回所有这些页面，从而确保即使没有释放内存，也不会丢失内存。

• 因此，对于短时间运行的程序，泄露内存通常不会导致任何操作问题（尽管它可能被认为是不好的形式）。如果你编写一个长期运行的服务器（例如Web 服务器或数据库管理系统，它永远不会退出），泄露内存就是很大的问题，最终会导致应用程序在内存不足时崩溃。当然，在某个程序内部泄露内存是一个更大的问题：操作系统本身。这再次向我们展示：编写内核代码的人，工作是辛苦的……

5.底层操作系统支持

• 你可能已经注意到，在讨论malloc()和free()时，我们没有讨论系统调用。原因很简单：它们不是系统调用，而是库调用。因此，malloc库管理虚拟地址空间内的空间，但是它本身是建立在一些系统调用之上的，这些系统调用会进入操作系统，来请求本多内存或者将一些内容释放回系统。

• 最后，你还可以通过mmap()调用从操作系统获取内存。通过传入正确的参数，mmap()可以在程序中创建一个匿名（anonymous）内存区域——这个区域不与任何特定文件相关联，而是与交换空间（swapspace）相关联，稍后我们将在虚拟内存中详细讨论。这种内存也可以像堆一样对待并管理。阅读mmap()的手册页以获取本多详细信息。

6.其他调用和小结

7.补充笔记：malloc()、calloc()、realloc()比较

当涉及到动态内存分配时，malloc(), calloc(), 和 realloc() 是 C 语言标准库中的三个重要函数。以下是这三个函数的比较表格：

特征/函数	malloc()	calloc()	realloc()
功能	分配指定大小的内存块	分配指定数量的连续内存块，并将每一块初始化为 0	改变先前分配的内存块的大小
参数	需要分配的内存块大小（以字节为单位）	内存块的数量和每个块的大小（以字节为单位）	指向先前分配的内存块的指针以及新的内存大小
返回值	指向分配的内存块的指针，如果分配失败则返回 NULL	指向分配且初始化的内存块的指针，如果分配失败则返回 NULL	指向重新分配的内存块的指针，如果分配失败则返回 NULL
初始化	不初始化内存块，内存块的内容不确定	将内存块的每个字节都初始化为 0	不初始化新分配的内存部分，旧内存内容保持不变至新大小
性能	通常比 calloc() 快，因为不初始化内存	可能比 malloc() 慢，因为初始化内存	性能依赖于给定的内存块和分配大小
适用性	当不需要初始化内存时使用	当需要初始化数组或多个相同类型的对象时使用	当需要调整先前分配的内存大小时使用
示例代码	int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * n);	int *ptr = (int*)calloc(n, sizeof(int));	ptr = (int*)realloc(ptr, sizeof(int) * n);

注意：

• malloc() 和 calloc() 在失败时都会返回 NULL，因此在使用这些函数后应该检查返回值以确认内存分配是否成功。
• realloc() 在扩大内存块时，可能会移动内存块到新的位置，如果是这样，它会复制旧内存内容到新位置并释放旧内存。
• 如果 realloc() 的第一个参数是 NULL，它等价于 malloc()。
• 在使用完分配的内存后，你应该使用 free() 函数释放它，以避免内存泄漏。