面试题：C语言动态内存分配中的内存碎片问题

内存碎片产生原因

在C语言中，动态内存分配使用malloc、calloc等函数，释放使用free函数。频繁进行动态内存分配和释放操作时，由于内存分配的大小和释放的时机不同，会导致已释放的内存空间不能被有效地重新利用，从而产生内存碎片。例如，先分配一大块内存，然后释放其中部分小块内存，这些小块内存之间的空闲空间可能由于大小不适合后续分配请求而无法被利用，形成碎片。

避免或减少内存碎片的方法

内存池：预先分配一大块内存作为内存池，程序运行过程中需要内存时，从内存池中分配，使用完后再归还到内存池中。这样避免了频繁调用系统的内存分配和释放函数，减少碎片产生。
按大小分配：尽量按照相似大小的内存需求进行分配，这样释放时可以合并相邻的空闲块，减少碎片。
使用内存分配器优化：例如使用tcmalloc等第三方内存分配器，它们针对内存碎片问题进行了优化。

导致严重内存碎片的代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    char *ptr[1000];
    int i;
    // 分配一系列小块内存
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        ptr[i] = (char *)malloc(10 * sizeof(char));
    }
    // 释放奇数位置的内存块
    for (i = 0; i < 1000; i += 2) {
        free(ptr[i]);
    }
    // 此时再尝试分配一块较大内存
    char *bigPtr = (char *)malloc(5000 * sizeof(char));
    if (bigPtr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
    }
    return 0;
}

在上述代码中，先分配了1000个小块内存，然后释放了奇数位置的内存块，这使得内存空间变得碎片化。之后尝试分配一个较大的内存块时，很可能因为碎片问题而失败。

优化方案

使用内存池的方式优化上述代码，示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MEMORY_POOL_SIZE 100000
#define CHUNK_SIZE 10

void *memoryPool[MEMORY_POOL_SIZE / CHUNK_SIZE];
int poolIndex = 0;

void *myMalloc() {
    if (poolIndex < MEMORY_POOL_SIZE / CHUNK_SIZE) {
        memoryPool[poolIndex] = (void *)((char *)memoryPool + poolIndex * CHUNK_SIZE);
        return memoryPool[poolIndex++];
    }
    return NULL;
}

void myFree(void *ptr) {
    // 简单实现，不做实际释放，只记录可重用
    for (int i = 0; i < poolIndex; i++) {
        if (memoryPool[i] == ptr) {
            poolIndex--;
            memoryPool[i] = memoryPool[poolIndex];
            break;
        }
    }
}

int main() {
    void *ptr[1000];
    int i;
    // 使用自定义内存分配函数分配内存
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        ptr[i] = myMalloc();
    }
    // 释放奇数位置的内存块
    for (i = 0; i < 1000; i += 2) {
        myFree(ptr[i]);
    }
    // 尝试分配一块较大内存（可根据需求调整分配逻辑）
    void *bigPtr = myMalloc();
    if (bigPtr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
    }
    return 0;
}

通过自定义内存池的方式，避免了直接调用系统的malloc和free，减少了内存碎片的产生。

面试题：C语言动态内存分配中的内存碎片问题

知识考点

面试题答案

内存碎片产生原因

避免或减少内存碎片的方法

导致严重内存碎片的代码示例

优化方案