那么当我们在程序中第一次申请了一块空间时到底发生了什么？

==提前科普==：

为了防止你会懵 B 所以对于有些下文会提到但是已经涉及到的东西讲解一下：

  1. Top chunk: 当程序第一次进行 malloc 的时候， heap 会被分为两块，一块给用户，剩下的那块就是 Top chunk ，再次申请堆块要是没有合适的空间便会使用 Top chunk 的空间。
  2. 你申请到的一块堆内存的起始地址你可以写入数据的起始地址，因为堆块头部会记录一些信息，所以你会看到下面的示例中有 0x10 大小差距。
  3. 你申请的大小 ≠ 实际申请大小，他会有一个的取整的步骤。

malloc() 函数:

分配所需的内存空间，并返回一个指向它的指针

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/*
  malloc(size_t n)
  Returns a pointer to a newly allocated chunk of at least n bytes, or null
  if no space is available. Additionally, on failure, errno is
  set to ENOMEM on ANSI C systems.
  If n is zero, malloc returns a minumum-sized chunk. (The minimum
  size is 16 bytes on most 32bit systems, and 24 or 32 bytes on 64bit
  systems.)  On most systems, size_t is an unsigned type, so calls
  with negative arguments are interpreted as requests for huge amounts
  of space, which will often fail. The maximum supported value of n
  differs across systems, but is in all cases less than the maximum
  representable value of a size_t.
*/
void* malloc(size_t size);

参数 size ：要分配的字节大小，是无符号整数，如果你输入了 -1 ，理论上会有一个很大很大的堆，实际上会报错，因为确实很大！

返回值：如果分配成功，则返回指向堆数据可写位置的指针；如果分配失败，则返回NULL。

可以看出，malloc 函数返回对应大小字节的内存块的指针。此外，该函数还对一些异常情况进行了处理

  • 当 size=0 时，返回当前系统允许的堆的最小内存块。
  • 当 size 为负数时，由于在大多数系统上，size_t 是无符号数（这一点非常重要），所以程序就会申请很大的内存空间，但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。

free() 函数：

释放之前调用 calloc 、 malloc 或 realloc 所分配的内存空间。

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void free(void* ptr);

参数 ptr ：指针指向一个要释放内存的内存块。如果传递的参数是一个空指针，则不会执行任何动作，注意 free() 不会清除内存块的数据。

无返回值。

  • 当 p 为空指针时，函数不执行任何操作。
  • 当 p 已经被释放之后，再次释放会出现乱七八糟的效果，这其实就是 double free。
  • 除了被禁用 (mallopt) 的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间。

提前科普：

一般使用 free() 函数释放的堆块不会立刻被回收，它们会变成一种叫Free Chunk 的东西并且加上了一种类似 xxx bin 的名字，一般这类堆块释放后如果挨着一个也被释放的堆块或者是 Top Chunk 会合并，当然请记住 Fast Bin 是一个特例一它不会轻易合并。

calloc() 函数：

分配所需的内存空间，并返回一个（一组）指向它（它们）的指针。malloc 和 calloc 之间的不同点是， malloc不会设置内存为零，而calloc 会设置分配的内存为零。

分配nitems个size大小的堆块

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void* calloc(size_t nitems, size_t size);

参数 nitems ：需要的堆块数量，也是无符号数。

返回值：如果分配成功，则返回一个（一组）指向分配的堆块（堆块们）的指针；如果分配失败，则返回 NULL。

realloc()函数：

更改已经配置的内存空间，即更改由 malloc() 函数分配的内存空间的大小。realloc() = malloc() + free()

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void* realloc(void* ptr, size_t size);

参数 *ptr ：一个指针，指向堆块或者为null

返回值：看情况，下文会说。

  1. size > ptr→size，申请扩大堆块

    1. 当前内存段后面有空闲空间（指已经申请过但没有被利用的空间），则直接吞并部分空闲空间，返回原指针。
    2. 当前内存段后面没有空闲空间，或者空闲空间不够，那么就使用堆中第一个满足这一要求的内存块，将目前的数据复制到新的位置，并将原来的数据块释放掉，返回新的内存块位置相当于 malloc(size) + memcpy(dst, ptr, size) + free(ptr)。

  2. size < ptr→size，申请缩小堆块。堆块会直接缩小，被削减的内存会释放。释放的内存块可能会被合并可能不会被合并。

    提示：

    这里的释放不是和 free()函数一样的释放，而是区别于free() 函数的释放内存方式，不过具体是什么以后再说吧。

  3. ptr == NULL and size != 0，如果传入了一个空指针，但是 size 不为 0，那么realloc()只会申请内存，返回申请的内存地址，就相当于malloc(size)。

  4. isValid(ptr) and size == 0，如果传入了一个正常的堆块地址，但是 size 为 0那么realloc()只会释放空间，就相当于free(ptr)。且释放的堆会变为fastbins，可能内存也不会清除，效果与free()一样。

  5. 如果申请失败，将返回 NULL ，此时，原来的指针仍然有效。