brk()、sbrk()和realloc()函数的区别

Question

据我所知，函数brk()和sbrk()用于重新分配内存。但它们与realloc()函数有何不同？请给出编码示例。

- Vishwanath Gulabal

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(s)brk函数是遗留函数，并且已经从POSIX标准中删除。据我所知，它们也从未成为C标准的一部分。 - Elias Van Ootegem

不仅如此，除非你是malloc的实现者，否则调用带有非零参数的sbrk或根本不调用brk都是不安全的。在malloc背后移动内存断点将破坏内部数据结构，并导致程序在下一次使用malloc、realloc或free时崩溃——几乎所有的C库函数都允许在内部使用malloc！ - zwol

Answer 1

brk和sbrk是系统调用（在内核中实现），而malloc、free、realloc是用户空间库函数。因此，malloc等函数在内部使用brk和sbrk，但提供了额外的功能（有关brk的更多详细信息，请参见man(2)，有关malloc的更多详细信息，请参见man(3)）。

brk仅告诉内核程序想要使用多少内存，通过给内核一个指向程序可能使用的最大虚拟内存位置的指针。但你只有一个大块内存。

malloc帮助你将这个巨大的内存块细分为较小的部分。

示例代码在这里没有太多意义，因为brk和malloc在不同的层面上工作。但你可以考虑如何实现一个非常简单（且不线程安全）的malloc和free版本，以及在哪里使用brk：

1. 我们原始malloc的基本数据结构是一个链表。
2. 列表中的每个列表元素包含：
   1. 块的大小
   2. 指向下一个元素的指针
   3. 一个标志，表示块是否正在使用
   4. 一个标志，表示它是否是最后一个元素
   5. 给定大小的字节数组
3. 在每次调用中，malloc遍历列表并检查每个块
   1. 如果块被标记为“未使用”
   2. 如果列表元素的大小字段最多与所需大小一样大
4. 如果malloc找到这样的块，则会：
   1. 将列表元素标记为已使用
   2. 调整列表元素中的大小字段
   3. 如果有足够的空间，则在元素之后添加一个列表元素，指向列表中的下一个元素（如果适用）
   4. 返回它找到的列表元素的字节数组的指针
5. 如果malloc没有找到这样的列表元素，则会
   1. 调用brk以增加我们从内核获得的可用内存
   2. 在列表末尾添加一个新元素，将大小设置为所需大小
   3. 将此元素标记为正在使用和最后一个元素
   4. 返回新创建的列表条目的字节数组的指针

正如@BasileStarynkevitch在他的评论中所指出的那样，作为brk的替代方案，您还可以使用mmap（使用fd=-1和flags=MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS）来保留由交换文件支持的单个内存块。有关mmap的详细信息，请参见man(2)。

- stefan.schwetschke

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实际上，现在大多数好的malloc实现都使用mmap(2)。sbrk和brk往往会变得过时（并且不适合线程）。 - Basile Starynkevitch

Answer 2

在操作系统级别上（至少在Unix模型中），程序有一个大的内存区域，用于存放程序文本、初始化和未初始化的数据以及“堆”（用于动态分配数据）。 （栈是单独的。）您可以使用brk和sbrk调整该区域的大小，但无法重新排列它，并且它始终是连续的。大多数进行动态内存分配的程序都需要更灵活的东西。 malloc、free和realloc是C库函数，它们提供了更加灵活的功能。在底层，它们通过调用brk和/或sbrk从操作系统获取内存，但然后它们进行额外的处理，让您可以（a）分配任意数量的（b）不同大小的块，您可以（c）在完成后单独将它们返回到池中，顺便（d）调整大小。

但是，当您使用free将内存返回到池中时，它通常只会回到未来由您的程序调用malloc的池中；内存通常不会被返还给操作系统。

（抱歉没有提供任何示例代码；我现在没有时间。）

- Steve Summit