C语言深入探索动态内存分配的使用

一、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

二、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

下面看一个内存泄漏检测模块的示例：

test.c：

#include <stdio.h>
#include "mleak.h"
 
void f()
 
{
    MALLOC(100);
}
 
int main()
{
    int* p = (int*)MALLOC(3 * sizeof(int));
 
    f();
 
    p[0] = 1;
    p[1] = 2;
    p[2] = 3;    
 
    FREE(p);    
 
    PRINT_LEAK_INFO();   
 
    return 0;
 
}

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 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);
        }
    }
 
}

输出结果如下，因为 MALLOC(100); 之后没有进行释放内存，所以被检查出来了。

暂时不能用于工程开发，需要再开发才行。因为 malloc 往往在不同的线程中被调用，因此 malloc 函数必须要有互斥的操作。因为 static MItem g_record[SIZE]; 这个静态全局数组是一种临界区，必须被保护起来。

三、关于 malloc(0)

malloc(0); 将返回什么?

下面看一段代码：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
 
int main()
{
    int* p = (int*) malloc(0);
    
    printf("p = %p\n", p);
    
    free(p);
 
    return 0;
}

输出结果如下：

这说明 malloc(0) 是合法的，内存地址其实包含两个概念，一个是内存的起始地址，一个是内存的长度。在平常我们可能会只注意内存的首地址，对于长度却忽略了。malloc(0) 在这个程序中申请到的内存起始地址为 0x82c3008，长度为 0。

但是我们在程序里不停写 malloc(0)，会造成内存泄漏吗？答案是肯定的，因为malloc 实际分配的内存可能会比请求的多，目前的操作系统一般都是 4 字节对齐的，所以写 malloc(0) 系统实际返回的字节数也许就是 4 字节。

四、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

下面看一个 calloc 和 realloc 的使用示例：

#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;
}

输出结果如下：

malloc 只负责申请空间，不负责初始化，这里的 pI 指针保存的值均为 0 只是巧合罢了，另外使用 realloc 重置之后，内存地址也会改变，pI 指针保存的值也会改变，这里都为 0 同样也是巧合。

五、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
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

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