九、内存管理(C语言)
1.内存管理简介
C 语言的内存管理，分成两部分。一部分是系统管理的，另一部分是用户手动管理的。系统管理的内存，主要是函数内部的变量（局部变量）。这部分变量在函数运行时进入内存，函数运行结束后自动从内存卸载。这些变量存放的区域称为”栈“（stack），”栈“所在的内存是系统自动管理的。用户手动管理的内存，主要是程序运行的整个过程中都存在的变量（全局变量），这些变量需要用户手动从内存释放。如果使用后忘记释放，它就一直占用内存，直到程序退出，这种情况称为”内存泄漏“（memory leak）。这些变量所在的内存称为”堆“（heap），”堆“所在的内存是用户手动管理的。
2.void 指针
前面章节已经说过了，每一块内存都有地址，通过指针变量可以获取指定地址的内存块。指针变量必须有类型，否则编译器无法知道，如何解读内存块保存的二进制数据。但是，向系统请求内存的时候，有时不确定会有什么样的数据写入内存，需要先获得内存块，稍后再确定写入的数据类型。为了满足这种需求，C 语言提供了一种不定类型的指针，叫做 void 指针。它只有内存块的地址信息，没有类型信息，等到使用该块内存的时候，再向编译器补充说明，里面的数据类型是什么。另一方面，void 指针等同于无类型指针，可以指向任意类型的数据，但是不能解读数据。void 指针与其他所有类型指针之间是互相转换关系，任一类型的指针都可以转为 void 指针，而 void 指针也可以转为
任一类型的指针。
int x = 10; void* p = &x; // 整数指针转为 void 指针 int* q = p; // void 指针转为整数指针
上面示例演示了，整数指针和 void 指针如何互相转换。 &x 是一个整数指针， p 是 void 指针，赋值时&x 的地址会自动解释为 void 类型。同样的， p 再赋值给整数指针 q 时， p 的地址会自动解释为整数指针。注意，由于不知道 void 指针指向什么类型的值，所以不能用 * 运算符取出它指向的值。
char a = 'X'; void* p = &a; printf("%c\n", *p); // 报错
上面示例中， p 是一个 void 指针，所以这时无法用 *p 取出指针指向的值。void 指针的重要之处在于，很多内存相关函数的返回值就是 void 指针，只给出内存块的地址信息，所以放在最前面进行介绍。
3.malloc()
malloc() 函数用于分配内存，该函数向系统要求一段内存，系统就在“堆”里面分配一段连续的内存块给它。它的原型定义在头文件 stdlib.h 。
void* malloc(size_t size)
它接受一个非负整数作为参数，表示所要分配的内存字节数，返回一个 void 指针，指向分配好的内存块。这是非常合理的，因为 malloc() 函数不知道，将要存储在该块内存的数据是什么类型，所以只能返回一个无类型的 void 指针。可以使用 malloc() 为任意类型的数据分配内存，常见的做法是先使用 sizeof() 函数，算出某种数据类型所需的字节长度，然后再将这个长度传给 malloc() 。
int* p = malloc(sizeof(int)); *p = 12; printf("%d\n", *p);//12
上面示例中，先为整数类型分配一段内存，然后将整数 12 放入这段内存里面。这个例子其实不需要使用 malloc() ，因为 C 语言会自动为整数（本例是 12 ）提供内存。有时候为了增加代码的可读性，可以对 malloc() 返回的指针进行一次强制类型转换。
int* p = (int*) malloc(sizeof(int));
上面代码将 malloc() 返回的 void 指针，强制转换成了整数指针。由于 sizeof() 的参数可以是变量，所以上面的例子也可以写成下面这样。
int* p = (int*) malloc(sizeof(*p));
malloc() 分配内存有可能分配失败，这时返回常量 NULL。Null 的值为0，是一个无法读写的内存地址，可以理解成一个不指向任何地方的指针。它在包括 stdlib.h 等多个头文件里面都有定义，所以只要可以使用 malloc() ，就可以使用 NULL 。由于存在分配失败的可能，所以最好在使用 malloc() 之后检查一下，是否分配成功。
int* p = malloc(sizeof(int)); if (p == NULL) { // 内存分配失败 } // or if (!p) { //... }
上面示例中，通过判断返回的指针 p 是否为 NULL ，确定 malloc() 是否分配成功。malloc() 最常用的场合，就是为数组和自定义数据结构分配内存。
int* p = (int*) malloc(sizeof(int) * 10); for (int i = 0; i < 10; i++) p[i] = i * 5;
上面示例中， p 是一个整数指针，指向一段可以放置10个整数的内存，所以可以用作数组。malloc() 用来创建数组，有一个好处，就是它可以创建动态数组，即根据成员数量的不同，而创建长度不同的数组。
int* p = (int*) malloc(n * sizeof(int));
上面示例中， malloc() 可以根据变量 n 的不同，动态为数组分配不同的大小。注意， malloc() 不会对所分配的内存进行初始化，里面还保存着原来的值。如果没有初始化，就使用这段内存，可能从里面读到以前的值。程序员要自己负责初始化，比如，字符串初始化可以使用strcpy() 函数。
char* p = malloc(4); strcpy(p, "abc"); // or p = "abc";
上面示例中，字符指针 p 指向一段4个字节的内存， strcpy() 将字符串“abc”拷贝放入这段内存，完成了这段内存的初始化。
4.free()
free() 用于释放 malloc() 函数分配的内存，将这块内存还给系统以便重新使用，否则这个内存块会一直占用到程序运行结束。该函数的原型定义在头文件 stdlib.h 里面。
void free(void* block)
上面代码中， free() 的参数是 malloc() 返回的内存地址。下面就是用法实例。
int* p = (int*) malloc(sizeof(int)); *p = 12; free(p);
注意，分配的内存块一旦释放，就不应该再次操作已经释放的地址，也不应该再次使用 free() 对该地址释放第二次。一个很常见的错误是，在函数内部分配了内存，但是函数调用结束时，没有使用 free() 释放内存。
void gobble(double arr[], int n) { double* temp = (double*) malloc(n * sizeof(double)); // ... }
上面示例中，函数 gobble() 内部分配了内存，但是没有写 free(temp) 。这会造成函数运行结束后，占用的内存块依然保留，如果多次调用 gobble() ，就会留下多个内存块。并且，由于指针 temp 已经消失了，也无法访问这些内存块，再次使用。
5.calloc()
calloc() 函数的作用与 malloc() 相似，也是分配内存块。该函数的原型定义在头文件 stdlib.h 。
两者的区别主要有两点：
（1） calloc() 接受两个参数，第一个参数是某种数据类型的值的数量，第二个是该数据类型的单位字节长度。
void* calloc(size_t n, size_t size);
calloc() 的返回值也是一个 void 指针。分配失败时，返回 NULL。
（2） calloc() 会将所分配的内存全部初始化为 0 。 malloc() 不会对内存进行初始化，如果想要初始化为 0 ，还要额外调用 memset() 函数。
int* p = calloc(10, sizeof(int)); // 等同于 int* p = malloc(sizeof(int) * 10); memset(p, 0, sizeof(int) * 10);
上面示例中， calloc() 相当于 malloc() + memset() 。calloc() 分配的内存块，也要使用 free() 释放。
6.realloc()
realloc() 函数用于修改已经分配的内存块的大小，可以放大也可以缩小，返回一个指向新的内存块的指针。如果分配不成功，返回 NULL。该函数的原型定义在头文件 stdlib.h 。
void* realloc(void* block, size_t size)
它接受两个参数。
block ：已经分配好的内存块指针（由 malloc() 或 calloc() 或 realloc() 产生）。
size ：该内存块的新大小，单位为字节。
realloc() 可能返回一个全新的地址（数据也会自动复制过去），也可能返回跟原来一样的地址。
realloc() 优先在原有内存块上进行缩减，尽量不移动数据，所以通常是返回原先的地址。如果新内存块小于原来的大小，则丢弃超出的部分；如果大于原来的大小，则不对新增的部分进行初始化（程序员可以自动调用 memset() ）。
下面是一个例子， b 是数组指针， realloc() 动态调整它的大小。
int* b; b = malloc(sizeof(int) * 10); b = realloc(b, sizeof(int) * 2000);
上面示例中，指针 b 原来指向10个成员的整数数组，使用 realloc() 调整为2000个成员的数组。这就是手动分配数组内存的好处，可以在运行时随时调整数组的长度。
realloc() 的第一个参数可以是 NULL，这时就相当于新建一个指针。
char* p = realloc(NULL, 3490); // 等同于 char* p = malloc(3490);
如果 realloc() 的第二个参数是 0 ，就会释放掉内存块。
由于有分配失败的可能，所以调用 realloc() 以后，最好检查一下它的返回值是否为 NULL。分配失败时，原有内存块中的数据不会发生改变。
float* new_p = realloc(p, sizeof(*p * 40)); if (new_p == NULL) { printf("Error reallocing\n"); return 1; }
注意， realloc() 不会对内存块进行初始化。
7.restrict 说明符
声明指针变量时，可以使用 restrict 说明符，告诉编译器，该块内存区域只有当前指针一种访问方式，其他指针不能读写该块内存。这种指针称为“受限指针”（restrict pointer）。
int* restrict p; p = malloc(sizeof(int));
上面示例中，声明指针变量 p 时，加入了 restrict 说明符，使得 p 变成了受限指针。后面，当 p 指向malloc() 函数返回的一块内存区域，就味着，该区域只有通过 p 来访问，不存在其他访问方式。
int* restrict p; p = malloc(sizeof(int)); int* q = p; *q = 0; // 未定义行为
上面示例中，另一个指针 q 与受限指针 p 指向同一块内存，现在该内存有 p 和 q 两种访问方式。这就违反了对编译器的承诺，后面通过 *q 对该内存区域赋值，会导致未定义行为。
8.memcpy()
memcpy() 用于将一块内存拷贝到另一块内存。该函数的原型定义在头文件 string.h 。
void* memcpy( void* restrict dest, void* restrict source, size_t n );
上面代码中， dest 是目标地址， source 是源地址，第三个参数 n 是要拷贝的字节数 n 。如果要拷贝10个 double 类型的数组成员， n 就等于 10 * sizeof(double) ，而不是 10 。该函数会将从 source 开始的 n 个字节，拷贝到 dest 。
dest 和 source 都是 void 指针，表示这里不限制指针类型，各种类型的内存数据都可以拷贝。两者都有 restrict 关键字，表示这两个内存块不应该有互相重叠的区域。
memcpy() 的返回值是第一个参数，即目标地址的指针。因为 memcpy() 只是将一段内存的值，复制到另一段内存，所以不需要知道内存里面的数据是什么类型。下面是复制字符串的例子。
#include <stdio.h> #include <string.h> int main(void) { char s[] = "Goats!"; char t[100]; memcpy(t, s, sizeof(s)); // 拷贝7个字节，包括终止符 printf("%s\n", t); // "Goats!" return 0; }
上面示例中，字符串 s 所在的内存，被拷贝到字符数组 t 所在的内存。
memcpy() 可以取代 strcpy() 进行字符串拷贝，而且是更好的方法，不仅更安全，速度也更快，它不检查字符串尾部的 \0 字符。
char* s = "hello world"; size_t len = strlen(s) + 1; char *c = malloc(len); if (c) { // strcpy() 的写法 strcpy(c, s); // memcpy() 的写法 memcpy(c, s, len); }
上面示例中，两种写法的效果完全一样，但是 memcpy() 的写法要好于 strcpy() 。使用 void 指针，也可以自定义一个复制内存的函数。
void* my_memcpy(void* dest, void* src, int byte_count) { char* s = src; char* d = dest; while (byte_count--) { *d++ = *s++; } return dest; }
上面示例中，不管传入的 dest 和 src 是什么类型的指针，将它们重新定义成一字节的 Char 指针，这样就可以逐字节进行复制。 *d++ = *s++ 语句相当于先执行 *d = *s （源字节的值复制给目标字节），然后各自移动到下一个字节。最后，返回复制后的 dest 指针，便于后续使用。
9.memmove()
memmove() 函数用于将一段内存数据复制到另一段内存。它跟 memcpy() 的主要区别是，它允许目标区域与源区域有重叠。如果发生重叠，源区域的内容会被更改；如果没有重叠，它与 memcpy() 行为相同。该函数的原型定义在头文件 string.h 。
void* memmove( void* dest, void* source, size_t n );
上面代码中， dest 是目标地址， source 是源地址， n 是要移动的字节数。 dest 和 source 都是 void 指针，表示可以移动任何类型的内存数据，两个内存区域可以有重叠。memmove() 返回值是第一个参数，即目标地址的指针。
int a[100]; // ... memmove(&a[0], &a[1], 99 * sizeof(int));
上面示例中，从数组成员 a[1] 开始的99个成员，都向前移动一个位置。
下面是另一个例子。
char x[] = "Home Sweet Home"; // 输出 Sweet Home Home printf("%s\n", (char *) memmove(x, &x[5], 10));
上面示例中，从字符串 x 的5号位置开始的10个字节，就是“Sweet Home”， memmove() 将其前移到0号位置，所以 x 就变成了“Sweet Home Home”。
10.memcmp()
memcmp() 函数用来比较两个内存区域。它的原型定义在 string.h 。
int memcmp( const void* s1, const void* s2, size_t n );
它接受三个参数，前两个参数是用来比较的指针，第三个参数指定比较的字节数。它的返回值是一个整数。两块内存区域的每个字节以字符形式解读，按照字典顺序进行比较，如果两者相同，返回 0 ；如果 s1 大于 s2 ，返回大于0的整数；如果 s1 小于 s2 ，返回小于0的整数。
char* s1 = "abc"; char* s2 = "acd"; int r = memcmp(s1, s2, 3); // 小于 0
上面示例比较 s1 和 s2 的前三个字节，由于 s1 小于 s2 ，所以 r 是一个小于0的整数，一般为-1。下面是另一个例子。
char s1[] = {'b', 'i', 'g', '\0', 'c', 'a', 'r'}; char s2[] = {'b', 'i', 'g', '\0', 'c', 'a', 't'}; if (memcmp(s1, s2, 3) == 0) // true if (memcmp(s1, s2, 4) == 0) // true if (memcmp(s1, s2, 7) == 0) // false
