内存是怎样一步步被分配出来的？

将Python客栈设为“星标⭐”

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大家好，今天简单聊聊内存分配。

我们申请一块内存时计算机内部发生了什么？看下这句代码：

这里有两部分，一个是malloc，再一个是你写的代码。

malloc实际上属于标准库，标准库里有什么呢？

数学相关的函数，sin、cos、绝对值、数幂函数等；字符相关函数，判断大小写等；字符串操作函数、字符串拷贝、拼接比较等；当然还有内存管理函数，就是这里提到的malloc/free，当然还有很多其它函数，这就是标准库。

再来看你写的代码，什么是你写的代码呢？以c语言为例，.c文件就是你写的代码，这包括你写的hello world程序、充满bug的练习程序，当然还有各种项目。

这就是你写的代码。

这些代码怎么变成最终的可执行程序呢？当然是借助编译器。

编译器会把你的代码编译成目标文件。

接着链接器出场，连接器会把目标文件和标准库打包成可执行程序。

这就是代码部分，接下来我们看内存分配。

到底什么是内存呢？

内存实际上和储物柜非常相似，储物柜会划分成了一个一个大小相同的隔间，每个隔间可以存储东西，内存的道理也一样，内存也被划分成了一个一个大小相同的隔间，我们来仔细看一下。

内存中的每个隔间存储的是一个字节，8比特位一字节。

比如这里申请的一块int大小的内存，一个int占据4个字节。

和储物柜一样，内存中的每个隔间也有一个编号，这个编号叫做内存地址。

在我们的实例中，申请的这块内存位于内存地址2这个位置，这意味着什么嗯？这意味着变量p等于数字2，或者说等于内存地址2，这里的p就是所谓的指针。

接着我们看内存分配过程。

这段代码当然属于编译后生成的可执行程序，可执行程序是在内存中运行的，当然我们需要为整个程序分配一块内存。

程序的运行依赖栈区，这里存放着局部变量等信息；依赖堆区，这里存放着程序员自己管理的动态申请的内存，关于堆区和栈区之前的视频也有讲解；除此之外还依赖代码区，这里保存的就是编译后的之类；还有数据区，这里保存着全局变量等信息。

这些区域在内存中的布局是这样的：

再次强调下，编译后的代码位于代码区，malloc动态申请的内存位于堆区，接下来我们只关注堆区。

在程序开始运行时堆区当然是空的，那么所谓的内存分配到底是什么呢？如果让你实现内存分配器该怎么做到呢？很简单，其实内存分配就是划分地盘。

此时要分配第一块大小为A的内存，那么你应该把A放在哪里呢？

因为此时堆区是空的，显然你可以把开始这个位置划分给A，作为A的地盘，找到A的地盘后malloc这个函数返回，内存分配过程结束，是不是很简单。

接着程序员又开始申请大小为B的内存，道理和A一样，把A之后的地盘给B即可。

程序员又开始申请大小为C的内存，同理。

接着程序员说A占用的这块内存使用完毕，调用free释放，所谓释放就是把A占据的地盘重新标记为空闲，这时堆区里还有两块空闲内存。

接着程序员开始申请大小为D，这时问题来了，你该从哪里给D划分地盘呢？

放到第一个空闲块吗？显然第一个空闲块大小不够。

第二个呢，第二个也不够。

但是你发现了一个问题，仔细看着两个空闲块，这两个空闲块的总大小实际上是超过D的。

我们把这种空闲的但是不能用来分配出去的内存称之为内存碎片。

你可以想象一下经过不断的内存申请和释放，堆区中会存在无数这样空闲内存碎片。

碎片化的内存显然不利于内存的充分利用，计算机科学历史上有无数论文试图来解决这个问题。

现在堆区已经不足以为D申请出内存，该怎么办呢？

让我们回到最初的布局，注意看堆区和栈区中间实际上还有一段空闲内存区域，这块区域就是为堆区或栈区来扩大地盘用的，那么该怎么扩大堆区呢？

这就要借助操作系统的帮助了。

在linux等系统中可以借助brk等系统调用向操作系统申请来扩大堆区。

现在堆区扩容完毕，此时就可以在堆区中找出一块合适的空闲内存分配给D，到这时malloc这个过程才真正结束，这实际上是一个相当复杂的过程。

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