C语言深入探索动态内存分配的使用

来源：脚本之家时间：2022-04-18 14:43:08

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 
#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 
 
#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 
#include 
 
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 
#include 
 
#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。