(C语言内存十六)C语言动态内存分配
静态内存分配
在进程的地址空间中,代码区、常量区、全局数据区的内存在程序启动时就已经分配好了,它们大小固定,不能由程序员分配和释放,只能等到程序运行结束由操作系统回收。这称为静态内存分配。
动态内存分配
栈区和堆区的内存在程序运行期间可以根据实际需求来分配和释放,不用在程序刚启动时就备足所有内存。这称为动态内存分配。
使用静态内存的优点是速度快,省去了向操作系统申请内存的时间,缺点就是不灵活,缺乏表现力,例如不能控制数据的作用范围,不能使用较大的内存。而使用动态内存可以让程序对内存的管理更加灵活和高效,需要内存就立即分配,而且需要多少就分配多少,从几个字节到几个GB不等;不需要时就立即回收,再分配给其他程序使用。
栈和堆的区别
栈区和堆区的管理模式有所不同:栈区内存由系统分配和释放,不受程序员控制;堆区内存完全由程序员掌控,想分配多少就分配多少,想什么时候释放就什么时候释放,非常灵活。
程序启动时会为栈区分配一块大小适当的内存,对于一般的函数调用这已经足够了,函数进栈出栈只是 ebp、esp 寄存器指向的变换,或者是向已有的内存中写入数据,不涉及内存的分配和释放。当函数中有较大的局部数组时,比如 1024*10 个元素,编译器就会在函数代码中插入针对栈的动态内存分配函数,这样函数被调用时才分配内存,不调用就不分配。
我们经常听说“栈内存的分配效率要高于堆”就是这个道理,因为大部分情况下并没有真的分配栈内存,仅仅是对已有内存的操作。
动态内存分配函数
堆(Heap)是唯一由程序员控制的内存区域,我们常说的动态内存分配也是在这个区域。在堆上分配和释放内存需要用到C语言标准库中的几个函数: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。
几点注意
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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。
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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。
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free(p) 并不能改变指针 p 的值,p 依然指向以前的内存,为了防止再次使用该内存,建议将 p 的值手动置为 NULL。
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。
实例
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:
ip[0] = 0 ip[1] = 1 ip[2] = 2 ip[3] = 3 ip[4] = 4
large_ip[0] = 0 large_ip[1] = 1 large_ip[2] = 2 large_ip[3] = 3 large_ip[4] = 4 large_ip[5] = 9 large_ip[6] = 9
small_ip[0] = 0 small_ip[1] = 1 small_ip[2] = 2
代码说明:
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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)。
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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。
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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。