动态内存分配详解：基本概念与malloc实现

"本章主要探讨了虚拟内存中的动态内存分配基本概念，由哈尔滨工业大学深圳计算机科学与技术学院硬件与系统教研室的夏文老师讲解。动态内存分配允许程序员在程序运行时通过如malloc这样的函数获取内存，尤其适用于数据结构大小在编译时未知的情况。动态内存分配器管理着进程的堆区域，包括已分配和空闲的内存块。分配器分为显式和隐式两种，前者如C语言中的malloc和free需要程序员手动释放内存，后者如Java的垃圾收集器则自动检测并回收不再使用的内存。本节主要聚焦于显式分配器的设计与实现，介绍了malloc函数及其行为，以及free函数用于归还内存。此外，还提到了calloc等其他内存分配函数。" 在计算机编程中，动态内存分配是一个重要的概念，特别是在处理那些大小在编译时无法确定的数据结构时。当程序员需要一块内存来存储数据时，他们会调用动态内存分配函数，如C语言中的`malloc`。`malloc`接收一个参数，即所需内存的字节数，并返回一个指向新分配内存的指针。如果分配成功，返回的内存块至少有指定的大小，并且在不同平台上可能有不同的对齐要求，例如在32位系统上通常是8字节对齐，而在64位系统上可能是16字节对齐。如果请求分配0字节，`malloc`会返回NULL。如果分配失败，同样会返回NULL，并设置错误号`errno`。 与`malloc`相对应的是`free`函数，它的作用是释放之前通过`malloc`、`realloc`或`calloc`分配的内存。这是显式内存管理的一部分，因为程序员需要明确地告诉系统何时不再需要某块内存。如果不正确地管理动态内存，可能会导致内存泄漏，即分配的内存没有被释放，这会消耗有限的系统资源，最终可能导致程序性能下降甚至崩溃。 除了显式分配器，还有一些编程语言如Java、ML和Lisp等使用隐式分配器，它们实现了垃圾收集机制。垃圾收集器能够自动检测并回收不再被程序引用的内存块，从而简化了程序员的工作，但也可能引入一定的运行时开销。 在设计和实现动态内存分配器时，通常需要考虑以下问题：如何有效地维护空闲内存块列表（如使用隐式空闲列表）、如何快速找到合适大小的内存块、如何避免内存碎片、如何确保内存分配的效率以及如何处理内存分配失败等情况。这些问题的解决方法涉及到复杂的数据结构和算法，如最佳适配、最坏适配和首次适配等内存分配策略。 动态内存分配是操作系统和程序设计中的关键组成部分，理解和掌握其原理对于编写高效、健壮的软件至关重要。本章内容旨在帮助学习者理解这一核心概念，并为深入研究内存管理打下基础。