C語言深入探索動態記憶體分配的使用

2022-04-18 16:00:48

一、動態記憶體分配的意義

C語言中的一切操作都是基於記憶體的

變數和陣列都是記憶體的別名

記憶體分配由編譯器在編譯期間決定
定義陣列的時候必須指定陣列長度
陣列長度是在編譯期就必須確定的

需求：程式執行的過程中，可能需要使用一些額外的記憶體空間

二、malloc 和 free

malloc 和 free 用於執行動態記憶體分配和釋放

malloc 所分配的是一塊連續的記憶體
malloc 以位元組為單位，並且不帶任何的型別資訊
free 用於將動態記憶體歸還系統

void* malloc(size_t size);

void free(void* pointer);

注意事項

malloc 和 free 是庫函數，而不是系統呼叫
malloc 實際分配的記憶體可能會比請求的多
不能依賴於不同平臺下的 malloc 行為
當請求的動態記憶體無法滿足時 malloc 返回 NULL
當 free 的引數為 NULL 時，函數直接返回

下面看一個記憶體漏失檢測模組的範例：

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
 
 
/* 動態記憶體申請引數結構體 */
 
typedef struct
{
    void* pointer;
    int size;
    const char* file;
    int line;
 
} MItem;
 
static MItem g_record[SIZE]; /* 記錄動態記憶體申請的操作 */
 
void* mallocEx(size_t n, const char* file, const line)
{
    void* ret = malloc(n); /* 動態記憶體申請 */   
 
    if( ret != NULL )
    {
        int i = 0;       
 
        /* 遍歷全域性陣列，記錄此次操作 */
 
        for(i = 0; i < SIZE; i++)
        {
 
            /* 查詢位置 */
 
            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;        
 
        /* 遍歷全域性陣列，釋放記憶體空間，並清除操作記錄 */
 
        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");    
 
    /* 遍歷全域性陣列，列印未釋放的空間記錄 */
 
    for(i = 0; i < SIZE; i++)
    {
        if( g_record[i].pointer != NULL )
        {
            printf("Address: %p, size:%d, Location: %s:%dn", g_record[i].pointer, g_record[i].size, g_record[i].file, g_record[i].line);
        }
    }
 
}

輸出結果如下，因為 MALLOC(100); 之後沒有進行釋放記憶體，所以被檢查出來了。

暫時不能用於工程開發，需要再開發才行。因為 malloc 往往在不同的執行緒中被呼叫，因此 malloc 函數必須要有互斥的操作。因為 static MItem g_record[SIZE]; 這個靜態全域性陣列是一種臨界區，必須被保護起來。

三、關於 malloc(0)

malloc(0); 將返回什麼?

下面看一段程式碼：

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

輸出結果如下：

這說明 malloc(0) 是合法的，記憶體地址其實包含兩個概念，一個是記憶體的起始地址，一個是記憶體的長度。在平常我們可能會只注意記憶體的首地址，對於長度卻忽略了。malloc(0) 在這個程式中申請到的記憶體起始地址為 0x82c3008，長度為 0。

但是我們在程式裡不停寫 malloc(0)，會造成記憶體漏失嗎？答案是肯定的，因為malloc 實際分配的記憶體可能會比請求的多，目前的作業系統一般都是 4 位元組對齊的，所以寫 malloc(0) 系統實際返回的位元組數也許就是 4 位元組。

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 的引數代表所返回記憶體的型別資訊

calloc 會將返回的記憶體初始化為 0

realloc 用於修改一個原先已經分配的記憶體塊大小

在使用 realloc 之後應該使用其返回值
當 pointer 的第一個引數為 NULL 時，等價於 malloc

下面看一個 calloc 和 realloc 的使用範例：

#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] = %dn", i, pI[i], i, pS[i]);
    }
    
    printf("Before: pI = %pn", pI);
    
    pI = (int*)realloc(pI, 2 * SIZE * sizeof(int));
    
    printf("After: pI = %pn", pI);
    
    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("pI[%d] = %dn", i, pI[i]);
    }
    
    free(pI);
    free(pS);
    
    return 0;
}

輸出結果如下：

malloc 只負責申請空間，不負責初始化，這裡的 pI 指標儲存的值均為 0 只是巧合罷了，另外使用 realloc 重置之後，記憶體地址也會改變，pI 指標儲存的值也會改變，這裡都為 0 同樣也是巧合。

五、小結

動態記憶體分配是 C 語言中的強大功能
程式能夠在需要的時候有機會使用更多的記憶體
malloc 單純的從系統中申請固定位元組大小的記憶體
calloc 能以型別大小為單位申請記憶體並初始化為0
realloc 用於重置記憶體大小

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