C语言深入探索动态内存分配的使用_C/C++

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

C语言深入探索动态内存分配的使用

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。

C语言深入探索动态内存分配的使用

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：

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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：

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