1.8 内存管理之堆

1.8.1 什么是堆

堆（heap）也是一种动态内存管理方式。内存管理对操作系统来说是一件非常复杂的事情，因为首先内存容量很大，其次内存需求在时间和大小块上没有规律（操作系统上运行着的几十、几百、几千个进程随时都会申请或者释放内存，申请或者释放的内存块大小随意）。

堆这种内存管理方式特点就是自由（随时申请、释放，大小块随意）。我们前面就讲过这两个API（malloc和free），那时候我们只是讲了用这两个接口可以申请和释放内存，但并没有说是从什么地方申请，以及通过什么申请。其实它们申请释放的内存来源于堆内存，然后向使用者（用户进程）提供API（malloc和free）来使用堆内存。我们什么时候使用堆内存？需要内存容量比较大时，以及需要反复使用及释放时（动态特性），很多数据结构（譬如链表）的实现都要使用堆内存。

1.8.2 堆管理内存的特点（大块内存、手工分配/使用/释放）

特点一：容量不限，动态分配（常规使用的需求容量都能满足）。当然也并不是完全不限，因为它毕竟建立在内存的基础上，所以在申请堆内存的时候一定要注意malloc函数的返回值，如果返回值是NULL，就是申请空间失败。而所谓动态，就是指程序在运行中取得内存空间，而不是编译时就确定好固定大小的内存空间。

特点二：申请和释放都需要手工进行。手工进行的含义就是需要程序员写代码明确进行申请（malloc）及释放（free）。如果程序员申请内存但使用后并不释放，这段内存就丢失了（在堆管理器的记录中，这段内存仍然属于你这个进程，但是进程会认为这段内存已经被占用，再用的时候又会去申请新的内存块），这称为内存泄漏。在C/C++语言中，内存泄漏是最严重的程序bug，这也是别人认为Java/C#等语言比C/C++优秀的地方。

1.8.3 C语言操作堆内存的接口（malloc/free）

堆内存释放时最简单，直接调用free释放，即void free(void *ptr);。

堆内存申请时，有三个可选择的兄弟函数：malloc、calloc和realloc。和malloc相比，它的两个兄弟calloc, realloc在功能上更加强大。二弟calloc会将返回的内存初始化为0，而三弟realloc可以修改原先已经分配的内存块的大小。而malloc只是单纯地从内存中申请固定大小的内存。

              void ＊malloc(size_t size);
              void ＊calloc(size_t nmemb, size_t size);  // nmemb个单元，每个单元size字节
              void ＊realloc(void ＊ptr, size_t size);    // 改变原来申请的空间的大小的

如要申请10个int元素的内存，如下所示。

              malloc(40);                 malloc(10＊sizeof(int));
              calloc(10, 4);              calloc(10, sizeof(int));

数组定义时，必须同时给出数组元素个数（数组的大小），而且一旦定义再无法更改。在Java等高级语言中，有一些语法技巧好像可以更改数组大小，但其实这只是一种障眼法。它的工作原理是：先新建一个新需求大小的数组，再将原数组的所有元素复制进新的数组，然后释放掉原数组，最后返回新的数组给用户。堆内存申请时必须给定大小，然后一旦申请完成则空间大小不变，如果要变，只能通过realloc接口。realloc的实现原理类似于上面介绍的Java中可变大小数组的方式。

1.8.4 堆的优势和劣势（管理大块内存、灵活、容易内存泄漏）

优势：灵活。

劣势：需要程序员去处理各种细节，所以容易出错，严重依赖于程序员的水平。

局部变量存在于栈（stack）中，全局变量存在于静态数据区中，动态申请数据存在于堆（heap）中。

1.8.5 静态存储区

我们现在知道，非静态局部变量存储在栈中，但程序中不仅仅只有非静态局部变量，还有静态局部变量和全局变量。静态局部变量和全局变量存储在静态存储区。编译器在编译程序时就确定了静态存储区的大小，静态存储区随着程序运行而分配空间，直到程序运行结束才释放内存空间，这也正是我们定义静态变量或者全局变量的目的。相比于栈，静态存储区对内存的操作比较简单，就是在编译期分配一块确定大小的内存，用来存储数据。局部变量存在于栈（stack）中，全局变量和静态局部变量存在于静态存储区中，动态申请数据存在于堆（heap）中。这里我们做个比喻，栈、堆、静态存储区相当于程序中的三国，它们的地盘就是内存，它们对各自地盘的施政（对内存的管理）方针也各不相同。