【C】 38_动态内存分配

动态内存分配的意义

• C 语言中的一切操作都是基于内存的

• 变量和数组都是内存的别名

  • 内存分配由编译器在编译期间决定
  • 定义数组的时候必须指定数组长度
  • 数组长度是在编译期就必须确定的

需求：

程序运行的过程中，可能需要使用一些额外的内存空间

malloc 和 free

• malloc 和 free 用于执行动态内存分配和释放

• malloc 所分配的是一块连续的内存
• malloc 以字节为单位，并且不带任何的类型信息
• free 用于将动态内存归还系统

void* malloc(size_t size);
void free(void* pointer);

注意事项

• malloc 和 free 是库函数，而不是系统调用
• malloc 实际分配的内存可能会比请求的多
• 不能依赖于不同平台下的 malloc 行为
• 当请求的动态内存无法满足时 malloc 返回 NULL
• 当 free 的参数为 NULL 时，函数直接返回

malloc 是库函数，不同的操作系统对内存的管理可能是是不同的。例，操作系统为了高效，内存池中空闲内存总是为4字节整数倍。当通过malloc函数动态申请3字节，存在可能实际分配为4字节。

这造成malloc实际分配的内存可能请求的多。同时，为了提高程序的可以移植性，不能依赖于不同平台下的malloc行为。

思考

• malloc(0)； 将返回什么？

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(0);
    
    printf("%p\n", p);
}

输出：【无警告，无错误】
0x9616008

发生了什么？

内存地址实质包含两个含义：内存首地址 + 内存长度。
malloc(0) 申请成功，返回申请内存首地址，只不过内存长度为0。

• 当不停得 malloc(0)， 而不free，最终得可执行程序可能会产生内存泄漏吗？

会。
因为malloc申请得到的内存空间往往比实际申请得大。现代操作系统一般会4字节对齐，将导致malloc(0, 1, 2, 3) 都可能获得得实际内存空间为4。而不是0，1，2，3，这将导致内存泄漏。因此，malloc 和 free 必须成对出现。

示例分析： 内存泄漏检测模块

mleak.h

#ifndef _MLEAK_H_
#define _MLEAK_H_

#include <malloc.h>

#define MALLOC(n) mallocEx(n, __FILE__, __LINE__)
#define FREE(p) freeEx(p)

void* mallocEx(size_t n, const char* file, const line);
void freeEx(void* p);
void PRINT_LEAK_INFO();

#endif

mleak.c

#include "mleak.h"

#define SIZE 256

/* 动态内存申请参数结构体 */
typedef struct
{
    void* pointer;
    int size;
    const char* file;
    int line;
} MItem;

static MItem g_record[SIZE]; /* 记录动态内存申请的操作 */

void* mallocEx(size_t n, const char* file, const int line)
{
    void* ret = malloc(n); /* 动态内存申请 */
    
    if( ret != NULL )
    {
        int i = 0;
        
        /* 遍历全局数组，记录此次操作 */
        for(i=0; i<SIZE; i++)
        {
            /* 查找位置 */
            if( g_record[i].pointer == NULL )
            {
                g_record[i].pointer = ret;
                g_record[i].size = n;
                g_record[i].file = file;
                g_record[i].line = line;
                break;
            }
        }
    }
    
    return ret;
}

void freeEx(void* p)
{
    if( p != NULL )
    {
        int i = 0;
        
        /* 遍历全局数组，释放内存空间，并清除操作记录 */
        for(i=0; i<SIZE; i++)
        {
            if( g_record[i].pointer == p )
            {
                g_record[i].pointer = NULL;
                g_record[i].size = 0;
                g_record[i].file = NULL;
                g_record[i].line = 0;
                
                free(p);
                
                break;
            }
        }
    }
}

void PRINT_LEAK_INFO()
{
    int i = 0;
    
    printf("Potential Memory Leak Info:\n");
    
    /* 遍历全局数组，打印未释放的空间记录 */
    for(i=0; i<SIZE; i++)
    {
        if( g_record[i].pointer != NULL )
        {
            printf("Address: %p, size:%d, Location: %s:%d\n", g_record[i].pointer, g_record[i].size, g_record[i].file, g_record[i].line);
        }
    }
}

main.c

#include <stdio.h>
#include "mleak.h"

void f()
{
    MALLOC(100);
}

int main()
{
    int* p1 = (int*)MALLOC(3 * sizeof(int));
    int* p2 = (int*)MALLOC(3 * sizeof(int));
    
    f();
    
    p1[0] = 1;
    p1[1] = 2;
    p1[2] = 3;
    
    FREE(p1);
    
    PRINT_LEAK_INFO();
    
    return 0;
}

输出：
Address: 0x97a8018, size:12, Location: test.c:12
Address: 0x97a8028, size:100, Location: test.c:6

注意：以上文件没有做临界资源保护（多线程编程），在实际项目中需要进行再扩展。

calloc 和 realloc

• malloc 的同胞兄弟
  void* calloc(size_t num, size_t size);
void* realloc(void* pointer, size_t new_size);

• calloc 的参数代表所返回内存的类型信息

  • calloc 会将返回的内存初始化为0

• realloc 用于修改一个原先已经分配的内存块大小

  • 在使用realloc之后应该使用其返回值
  • 当 pointer 的第一个参数为 NULL 时，等价于 malloc

实例分析： calloc 和 realloc 的使用

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

#define SIZE 5

int main()
{
    int i = 0;
    int* pI = (int*)malloc(SIZE * sizeof(int));
    short* pS = (short*)calloc(SIZE, sizeof(short));
    
    for(i=0; i<SIZE; i++)
    {
        printf("pI[%d] = %d, pS[%d] = %d\n", i, pI[i], i, pS[i]);
    }
    
    printf("Before: pI = %p\n", pI);
    
    pI = (int*)realloc(pI, 2 * SIZE * sizeof(int));
    
    printf("After: pI = %p\n", pI);
    
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        printf("pI[%d] = %d\n", i, pI[i]);
    }
    
    free(pI);
    free(pS);

    return 0;
}

输出：
pI[0] = -842150451, pS[0] = 0
pI[1] = -842150451, pS[1] = 0
pI[2] = -842150451, pS[2] = 0
pI[3] = -842150451, pS[3] = 0
pI[4] = -842150451, pS[4] = 0
Before: pI = 01136DB0
After: pI = 01136DB0
pI[0] = -842150451
pI[1] = -842150451
pI[2] = -842150451
pI[3] = -842150451
pI[4] = -842150451
pI[5] = -842150451
pI[6] = -842150451
pI[7] = -842150451
pI[8] = -842150451
pI[9] = -842150451

分析：
pI， mallo申请内存中的值为随机值
pI， realloc之后，指向的地址将发生改变。扩大之后的部分为随机值，重合的部分为原始值

小结

• 动态内存分配是 C 语言中的强大功能
• 程序能够在需要的时候有机会使用更多的内存
• malloc 单纯的从系统中申请固定字节大小的内存,而不进行初始化
• calloc 能以类型大小为单位申请内存并初始化为0
• realloc 用于重置内存大小

以上内容参考狄泰软件学院系列课程，请大家保护原创！