动态内存分配（malloc）详解

malloc

• malloc（）找到可用内存中一个大小适合的块。
  内存是匿名的；
  
  也就是说，malloc（）分配了内存，但没有为它指定名字。
  然而，它却可以返回那块内存第一个字节的地址。
  因此，可以把那个地址赋值给一个指针变量，并使用该指针来访问那块内存。
  因为char代表一个字节，所以传统上曾将malloc（）定义为指向char的指针类型。
  
  然而，ANSIC标准使用了一个新类型：指向void的指针。这一类型被用作“通用指针”。
  函数malloc（）可用来返回数组指针、结构指针等等，因此一般需要把返回值的类型指派为适当的类型。
  
  在ANSIC中，为了程序清晰应对指针进行类型指派，但将void 指针值赋值给其他类型的指针并不构成类型冲突。
  如果malloc（）找不到所需的空间，它将返回空指针。
  我们使用malloc（）来创建一个 数组。可以在程序运行时使用malloc（）请求一个存储块，另外还需要一个指针来存放该块在内存中的位置。
  
  例如，如下代码：

double * ptd;
ptd = (double * ) malloc (30 * sizeof(double));

• 这段代码请求30个double类型值的空间，并且把ptd指向该空间所在位置。
  
  注意:ptd是作为指向一个double类型值的指针声明的，而不是指向30个double类型值的数据块的指针。
  
  记住：数组的名字是它第一个元素的地址。
  因此，如果令ptd指向一个内存块的第一个元素，就可以像使用数组名一样使用它。
  也就是说，可以使用表达式ptd[0]来访问内存块的第一个元素，pd[1]来访问第二个元素，依此类推。
  正如前面所学，可以在指针符号中使用数组名，也可以在数组符号中使用指针。

• 现在，创建一个数组有三种方法：
  1.声明一个数组，声明时用常量表达式指定数组维数，然后可以用数组名访问数组元素。
  2.声明一个变长数组，声明时用变量表达式指定数组维数，然后用数组名来访问数组元素（这是C99的一个特性）。
  3.声明一个指针，调用malloc（），然后使用该指针来访问数组元素。

使用第二种或第三种方法可以做一些用普通的数组声明做不到的事：

创建一个动态数组（dynamic array），即一个在程序运行时才分配内存并可在程序运行时选择大小的数组。

例如，假定n是一个整数量。在C99之前，不能这样做：

double item[n]：/*如果n是一个变量，C99之前不允许这样做*/

然而，即使在C99之前的编译器中，也可以这样做：

ptd =（double*）malloc（n*sizeof（double））；/*可以*/

这行得通，而且正如您将看到的那样，这样做比使用一个变长数组更灵活。

一般地，对应每个malloc（）调用，应该调用一次free（）。
函数free（）的参数是先前malloc（）返问的地址，它释放先前分配的内存。

这样，所分配内存的持续时间从调用malloc（）分配内存开始，到调用free（）释放内存以供再使用为止。

• 设想malloc（）和free（）管理着一个内存池。
  每次调用malloc（）分配内存给程序使用，每次调用free（）将内存归还到池中，使内存可被再次使用。

注意:

1. free（）的参数应是一指针，指向由malloc（）分配的内存块；
2. 其他方式（例如声明一个数组）分配的内存是不能使用free（）去释放的。

在头文件stdlib.h中有malloc（）和free（）的原型。（我不知道，哈哈）

通过使用malloc（），程序可以在运行时决定需要多大的数组并创建它。

程序清单12.14 举例证明了这可能。

它把内存块地址赋给指针ptd，接着以使用数组名的方式使用ptd。

程序还调用了exit（）函数。该函数的原型在 stdlib.h 中，用来在内存分配失败时结束程序。

• 值 EXIT_FAILURE 也在这个头文件中定义。标准库提供了两个保证能够在所有操作系统下工作的返回值：
  EXIT SUCCESS（或者，等同于0）指示程序正常终止;
  EXIT_FAILURE指示程序异常终止。
  
  另外，有些操作系统，包括UNIX、Linux 和Windows，能够接受其他的整数值。

程序清单12.14 dyn_arr.c 程序

/*dyn_arr.c -- 为数组动态分配存储空间*/
#include
#include

int main(void) {
	double* ptd;
	int max;
	int number;
	int i = 0;

	puts ("What is the maximum number of type double entries?" );
	//entries:entry 输入
	scanf("%d", &max);//输入个数
	ptd = (double*)malloc(max * sizeof(double));
	if (ptd == NULL) {
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	///*ptd现在指向有max个元素的数组*/
	puts("Enter the values（q to quit）：");
	while (i < max && scanf("%lf", &ptd[i]) == 1)
		++i;
		
	printf("Here are your %d entries:\n", number = i);
	for(i = 0; i < number; i++){
		printf("%7.2f", ptd[i]);
		/*.2表示输出数据保留小数点后2位小数，第3位四舍五入；
		7表示输出数据在终端设备上占用7个字符宽度右对齐，
		实际数据位数(包括小数点)小于7时左边用空格补齐，
		大于7时按实际位数向右扩展输出。*/
		if(i % 7  == 6)
			putchar('\n');
	}
	if(i % 7 != 0)
		putchar('\n');
	puts("Done.");
	free(ptd);
	return 0; 
}

下面是一个运行示例。该例中输入了6个数，但程序只处理了5个，因为我们将数组大小限定为5。

代码分析：

1. 程序通过下列几行获取所需的数组大小：

puts ( "What is the maximum number of type double entries?" );
scanf("%d", &max);//输入个数

2. 接着，下面的行分配对于存放所请求数目的项来说足够大的内存，并将该内存块的地址赋给指针ptd:

ptd = (double*)malloc(max * sizeof(double));

3. 在C中，类型指派（double*）是可选的，而在C++中必须有，因此使用类型指派将使把C程序移植到C++更容易。
   
   malloc（）可能无法获得所需数量的内存。在那种情形下，函数返回空指针，程序终止。

	if (ptd == NULL) {
		exit(EXIT_FAILURE);//内存分配失败
	}

如果成功地分配了内存，程序将把ptd视为一个具有max个元素的数组的名字。

• 注意：
  在程序末尾附近的函数free（）。
  它释放malloc（）分配的内存。
  函数free（）只释放它的参数所指向的内存块。
  在这个特定例子中，使用free（）不是必须的，因为在程序终止后所有已分配的内存都将被自动释放。
  然而在一个更复杂的程序中，能够释放并再利用内存将是重要的。

• 使用动态数组将获得什么？
  
  主要是获得了程序灵活性。
  假定知道一个程序在大多数情况下需要的数组元素不超过100个；
  而在某些情况下，却需要l0000个元素。
  在声明数组时，不得不考虑到最坏情形并声明一个具有10000个元素的数组。
  在多数情况下，程序将浪费内存。
  如果有一次需要10001个元素，程序就会出错。
  您可以使用动态数组来使程序适应不同的情形。

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free ( )

在编译程序时，静态变量的数量是固定的：在程序运行时也不改变。

自动变量使用的内存数量在程序执行时自动增加或者减少。
但被分配的内存所使用内存数量只会增加，除非您记得使用free（）。

例如，假定有一个如下代码勾勒出的函数，它创建一个数组的临时拷贝：

#include
#include

void gobble (double ar[], int n);

int main(){
	double glad[2000];
	int i;
	
	for(i = 0; i<100000000; i++){
		gobble(glad, 2000);
	}
}

void gobble(double ar[], int n){
	double *temp = (double *) malloc(n*sizeof(double)) ;
	
//	free(temp);/*忘记使用*/
}

• 第一次调用gobble（）时，它创建了指针temp，并使用malloc（）为之分配16000字节的内存（设double是8个字节）。
  假定我们如暗示的那样没有使用free（）。
  当函数终止时，指针temp作为一个自动变量消失了。
  但它所指向的16000个字节的内存仍旧存在。
  我们无法访问这些内存，因为地址不见了。
  由于没有调用free（），不可以再使用它了。
• 第二次调用gobble（），它又创建了一个temp，再次使用malloc（）分配16000个字节的内存。
  第一个16000字节的块已不可用，因此malloc（）不得不再找一个l6000字节的块。
  当函数终止时，这个内存块也无法访问，不可再利用。

但循环执行了1000次，因此在循环最终结束时，已经有1600万字节的内存从内存池中移走。
事实上，在到达这一步前，程序很可能已经内存溢出了。

这类问题被称为内存泄漏（memory leak），可以通过在函数末尾处调用free（）防止该问题出现。

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calloc（ )

内存分配还可以使用calloc（）。

典型的应用如下：

long * newmen;
newmen = (long *) calloc (100, sizeof( long)); 

与 malloc（）类似，calloc（）在ANSI以前的版本中返回一个 char 指针，在ANSI中返回一个void指针。
如果要存储不同类型，应该使用类型指派运算符。
这个新函数接受两个参数，都应是无符号的整数（在ANSI中是size_t类型）。

第一个参数是所需内存单元的数量，第二个参数是每个单元以字节计的大小。

在这里，long使用4个字节，因此这一指令建立了100个4字节单元，总共使用400个字节来存储。

使用 sizeof（long）而不是 4 使代码更具可易移植性。
它可在其他系统中运行，这些系统中 long不是4字节而是别的大小。

函数calloc（）还有一个特性：
它将块中的全部位都置为0（然而要注意，在某些硬件系统中，浮点值0不是用全部位为0来表示的）。

• ps:个人觉得它相当于数组的初始化。
  

函数free（）也可以用来释放由calloc（）分配的内存。

动态内存分配是很多高级编程技巧的关键。

在17章“高级数据表示”中我们将研究一些。您自己的C库可能提供了其他内存管理函数，有些可移植，有些不可以。您可能应该抽时间看一下。

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动态内存分配与变长数组

变长数组（Variable-Length Array，VLA）与malloc（）在功能上有些一致。例如，它们都可以用来创建一个大小在运行时决定的数组：

int valmal(){
	int n;
	int * pi;
	scanf("%d", &n);
	
	pi = (int *) malloc(n*sizeof(int));
	int ar[n];//变长数组 
	
	pi[2] = ar[2] = -5;
}

一个区别在于 VLA 是自动存储的。

自动存储的结果之一就是 VLA 所用内存空间在运行完定义部分之后会自动释放。

在本例中，就是函数 vlamal（）终止的时候。因此不必使用 free（）。

另一方面，使用由 malloc（）创建的数组不必局限在一个函数中。

例如，函数可以创建一个数组并返回指针，供调用该函数的函数访问。
接着，后者可以在它结束时调用 free（）。
free（）可以使用不同于 malloc（）指针的指针变量：必须一致的是指针中存储的地址。

VLA 对多维数组来说更方便。
您可以使用 malloc（）来定义一个二维数组，但语法很麻烦。
如果编译器不支持 VLA 特性，必须固定一维的大小，正如下面的函数调用：

	int n = 5;
	int m = 6;
	int ar2[n][m];//n*m 的变长数组 
	int(* p2) [6];//在c99之前可以使用 
	int(* p3) [m];//要求变长数组支持 
	
	p2 = (int (*)6) malloc (n * 6 * sizeof(int));// n*6 数组 
	p3 = (int (*)[m]) malloc (n * m * sizeof(int));// n*m 数组 
	//上面的表达式也要求变长数组支持 
	
	ar2[1][2] = p2[1][2] = 12;

有必要查看一下指针声明。函数malloc（）返回一个指针，因此p2必须是适当类型的指针。
下面的声明：

int(* p2) [6];//在c99之前可以使用 

表明p2指向一个包含6个int值的数组。
这意味着p2[j| 将被解释为一个由6个整数构成的元素，p2[ i ][ j ]将是一个int值。

第二个指针声明使用变量来指定p3所指数组的大小。
这意味着p3将被看作一个指向 VLA 的指针，这正是代码不能在C90标准中运行的原因。

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内存类与动态内存分配

您可能正在为存储类和动态内存分配之间的联系感到疑惑。

• 我们来看一个理想模型。
  可以认为程序将它的可用内存分成了三个独立的部分：
• 一个是具有外部链接的、具有内部链接的以及具有空链接的静态变量的：
• 一个是自动变量的：
• 另一个是动态分配的内存的。

(静态变量)：
在编译时就已经知道了静态存储时期存储类变量所需的内存数量，存储在这一部分的数据在整个程序运行期间都可用。

这一类型的每个变量在程序开始时就已存在，到程序结束时终止。

(动态变量)：
然而，一个自动变量在程序进入包含该变量定义的代码块时产生，在退出这一代码块时终止。

因此，伴随着程序对函数的调用和终止，自动变量使用的内存数量也在增加和减少。

典型地，将这一部分内存处理为一个堆栈。

这意味着在内存中，新变量在创建时按顺序加入，在消亡时按相反顺序移除。

(动态内存分配)：
动态分配的内存在调用malloc（）或相关函数时产生，在调用free（）时释放。

由程序员而不是一系列固定的规则控制内存持续时间，因此内存块可在一个函数中创建，而在另一个函数中释放。(malloc 可以跨函数调用)

由于这点，动态内存分配所用的内存部分可能变成碎片状，也就是说，在活动的内存块之间散布着未使用的字节片。

不管怎样，使用动态内存往往导致进程比使用堆栈内存慢。

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本文选自《C primer plus》