动态内存分配及变量存储类别(第一部分)

动态内存分配也就是在程序运行中实时申请内存分配。这有利于我们对任意多的数据进行处理。如果这些数据不用了，我们也可以随时释放。

变量有4种存储类别：auto（自动）、register（寄存器）、static（静态）和extern（外部）。

1. C语言动态内存分配的概念

前面的代码中，不管我们定义变量、函数，还是创建数组，它们需要的内存是固定的，编译器已经分配好了，程序运行时不能改变，我们也不能自由掌控。

所谓动态内存分配(Dynamic Memory Allocation)，就是指在程序运行的过程中动态地分配或者释放内存空间。这样能够更加高效的使用内存，需要内存时就立即分配，而且需要多少由程序员决定，不浪费内存空间；不需要时立即回收，再分配给其他程序使用。

在C语言中，只运行使用系统分配的内存，如果系统没有为变量分配内存，那么会出现什么情况呢？请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    char *p;             //字符指针
    strcpy(p, "cyuyan");
    return 0;
}

这段代码运行时会报错。因为 “char *p;”语句并没有使指针变量 p 初始化，它指向的地址是任意的（一般是非法的，当前程序没有权限使用）；“strcpy(p, "cyuyan");”语句会将字符串复制到没有初始化的指针变量指定的地址中，系统分配内存失败。

但是，字符数组和字符指针不同，在字符数组被声明定义时，系统已经为其分配相应的内存空间，我们就可以使用其存放一定的数据了，下面的代码是正确的：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    char p[20];
    strcpy(p, "cyuyan");
    return 0;
}

到现在为止，我们可以很清楚地知道数组可以保存多个相同类型的数据，但是它有许多缺点，主要表现在两方面：

缺 点	说 明
数组的大小是固定的	它所占的空间在内存分配之后的运行期间是不能改变的，所以这就要求我们事先为其分配较大的空间，保证程序运行时不会溢出。
数组需要一块连续的内存空间	如果对于一个系的各班定义一个数组，每个班的学生人数不一定相同，那么就很难定义数组的长度。过大会造成资源的浪费，过小又会造成溢出，影响程序的运行。

为了解决所遇到的内存分配问题，我们使用动态内存分配，根据每次运行程序时要处理的数据的多少随时申请内存，如下图所示：

 

2. C语言内存模型（内存组织方式）

我们知道，C程序开发并编译完成后，要载入内存（主存或内存条）才能运行，变量名、函数名都会对应内存中的一块区域。

内存中运行着很多程序，我们的程序只占用一部分空间，这部分空间又可以细分为以下的区域：

内存分区	说明
程序代码区(code area)	存放函数体的二进制代码
静态数据区(data area)	也称全局数据区，包含的数据类型比较多，如全局变量、静态变量、一般常量、字符串常量。其中： 全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 常量数据（一般常量、字符串常量）存放在另一个区域。 注意：静态数据区的内存在程序结束后由操作系统释放。
堆区(heap area)	一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。malloc()、calloc()、free() 等函数操作的就是这块内存，这也是本章要讲解的重点。 注意：这里所说的堆区与数据结构中的堆不是一个概念，堆区的分配方式倒是类似于链表。
栈区(stack area)	由系统自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
命令行参数区	存放命令行参数和环境变量的值，如通过main()函数传递的值。

 

图1：C语言内存模型示意图

提示：关于局部的字符串常量是存放在全局的常量区还是栈区，不同的编译器有不同的实现，VC 将局部常量像局部变量一样对待，存储于栈（⑥区）中，TC则存储在静态数据区的常量区（②区）。

注意：未初始化的全局变量的默认值是 0，而未初始化的局部变量的值却是垃圾值（任意值）。请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int global;
int main()
{
    int local;
    printf("global = %d\n", global);
    printf("local = %d\n", local);
    getch();
    return 0;
}

运行结果：
global = 0
local = 1912227604

为了更好的理解内存模型，请大家看下面一段代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int a = 0;     // 全局初始化区（④区）
char *p1;     // 全局未初始化区（③区）
int main()
{
    int b;     // 栈区
    char s[] = "abc";     // 栈区
    char *p2;     // 栈区
    char *p3 = "123456";     // 123456\0 在常量区（②），p3在栈上，体会与 char s[]="abc"; 的不同
    static int c = 0;     // 全局初始化区
    p1 = (char *)malloc(10);     // 堆区
    p2 = (char *)malloc(20);     // 堆区
// 123456\0 放在常量区，但编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方
    strcpy(p1, "123456");
}

 

3. C语言动态内存空间的分配

上节我们讲解了C语言的内存模型，了解到堆区的内存空间是由程序员来分配和释放的，称为自由区，其他区域一般不能由程序员随意操作。本节要讲解的动态内存分配就是在堆区进行的。

动态内存分配和释放常用到的四个函数为：malloc()、calloc()、realloc() 和 free()。

这几个函数的具体用法在C标准库中已经进行了讲解（点击上面链接查看），这里不再赘述，仅作简单的对比，并给出一个综合示例。

1) malloc()

原型：void* malloc (size_t size);

作用：在堆区分配 size 字节的内存空间。

返回值：成功返回分配的内存地址，失败则返回NULL。

注意：分配内存在动态存储区（堆区），手动分配，手动释放，申请时空间可能有也可能没有，需要自行判断，由于返回的是void*，建议手动强制类型转换。

2) calloc()

原型：void* calloc(size_t n, size_t size);

功能：在堆区分配 n*size 字节的连续空间。

返回值：成功返回分配的内存地址，失败则返回NULL。

注意：calloc() 函数是对 malloc() 函数的简单封装，参数不同，使用时务必小心，第一参数是第二参数的单元个数，第二参数是单位的字节数。

3) realloc()

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

功能：对 ptr 指向的内存重新分配 size 大小的空间，size 可比原来的大或者小，还可以不变（如果你无聊的话）。

返回值：成功返回更改后的内存地址，失败则返回NULL。

4) free()

原型：void free(void* ptr);

功能：释放由 malloc()、calloc()、realloc() 申请的内存空间。

注意：每个内存分配函数必须有相应的 free 函数，释放后不能再次使用被释放的内存，建议在 free 函数后把被释放指针置为 NULL，好处有二：

• 再次访问该指针将出错，避免野指针；
• 再次释放该指针不会让程序崩溃只是free函数失效。

对比与说明

在利用 calloc() 函数时，如果对分配的存储空间不保存，那么丢失后就无法找回来，更严重的是这段空间不能再重新分配，因而造成内存的浪费。因此我们较少使用calloc()，推荐使用malloc()。

另外，在分配内存时最好不要直接用数字指定内存空间的大小，这样不利于程序的移植。因为在不同的操作系统中，同一数据类型的长度可能不一样。为了解决这个问题，C语言提供了一个判断数据类型长度的操作符，就是 sizeof。

sizeof 是一个单目操作符，不是函数，用以获取数据类型的长度时必须加括号，例如 sizeof(int)、sizeof(char) 等。

下面的例子演示了如何用 malloc() 和 sizeof 分配内存空间来保存20个整数：

1. int *numbers = (int*) malloc( 20 * sizeof(int) );

这种分配内存的方式在数据结构中很常见。

最后是一个综合的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define N (5)
#define N1 (7)
#define N2 (3)
int main()
{
    int *ip;
    int *large_ip;
    int *small_ip;
    if((ip = (int*)malloc(N * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    int i;
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        ip[i] = i;
        printf("ip[%d] = %d\t", i, ip[i]);
    }
    printf("\n");
    if((large_ip = (int* )realloc(ip, N1 * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    for(i = N; i < N1; i++)
        large_ip[i] = 9;
    for(i = 0; i < N1; i++)
        printf("large_ip[%d] = %d\t", i, large_ip[i]);
    printf("\n");
    if((small_ip = (int*)realloc(large_ip, N2 * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    for(i = 0; i < N2; i++)
        printf("small_ip[%d] = %d\t", i, small_ip[i]);
    printf("\n");
    free(small_ip);
    small_ip = NULL;
    system("pause");
    return 0;
}

运行结果：

代码说明：
1) 代码看似很长，其实较为简单，首先分配一个包含5个整型的内存区域，分别赋值0到4；再用realloc函数扩大内存区域以容纳7个整型数，对额外的两个整数赋值为9；最后再用realloc函数缩小内存区域，直接输出结果（因为realloc函数会自动复制数据）。

2) 这次把分配函数与验证返回值验证写在了一起，为的是书写方便，考虑到优先级问题添加了适当的括号，这种写法较为常用，注意学习使用。

3) 本例free函数只用释放small_ip指针即可，如函数介绍中注意里提到的，另外两个指针已被系统回收，不能再次使用。

 

 

4. C语言内存泄露（内存丢失）

使用 malloc()、calloc()、realloc() 动态分配的内存，如果在使用完毕后未释放，就会导致该内存一直被占用，直到程序结束（其实说白了就是该内存空间使用完毕之后未回收），这就是所谓的“内存泄漏”。

内存泄漏形象的比喻是“操作系统可提供给所有进程的内存空间正在被某个程序榨干”，最终结果是程序运行时间越长，占用内存空间越来越多，最终用尽全部内存空间，整个系统崩溃。所以内存泄漏是从操作系统的角度来看的。

另外，动态分配的一块内存如果没有任何一个指针指向它，那么这块内存就泄漏了。

free() 函数的用处在于实时地回收内存，如果程序很简单，程序结束之前也不会使用过多的内存，不会降低系统的性能，那么也可以不用写 free() 函数。当程序结束后，操作系统会释放内存。

但是如果在开发大型程序时不写 free() 函数，后果是很严重的。这是因为很可能在程序中要重复一万次分配10MB的内存，如果每次进行分配内存后都使用 free() 函数去释放用完的内存空间， 那么这个程序只需要使用10MB内存就可以运行。但是如果不使用 free() 函数，那么程序就要使用100GB 的内存！这其中包括绝大部分的虚拟内存，而由于虚拟内存的操作需要读写磁盘，因此，这样会极大地影响到系统的性能，系统因此可能崩溃。

因此，在程序中使用 malloc() 分配内存时都对应地写出一个 free() 函数是一个良好的编程习惯。这不但体现在处理大型程序时的必要性，并能在一定程度上体现程序优美的风格和健壮性。

但是有些时候，常常会有将内存丢失的情况，例如：

1. int *pOld = (int*) malloc( sizeof(int) );
2. int *pNew = (int*) malloc( sizeof(int) );

这两段代码分别创建了一块内存，并且将内存的地址传给了指针 pOld 和 pNew。此时指针 pOld 和 pNew 分别指向两块内存。

如果接下来进行这样的操作：

1. pOld=pNew;

pOld 指针就指向了 pNew 指向的内存地址，这时候再进行释放内存操作：

1. free(pOld);

此时释放的 pOld 所指向的内存空间就是原来 pNew 指向的，于是这块空间被释放掉了。但是 pOld 原来指向的那块内存空间还没有被释放，不过因为没有指针指向这块内存，所以这块内存就造成了丢失。

另外，你不应该进行类似下面这样的操作：

1. malloc( sizeof(int) );

这样的操作没有意义，因为没有指针指向分配的内存，无法使用，而且无法通过 free() 释放掉，造成了内存泄露。