理解C语言——从小菜到大神的晋级之路(12)——动态内存管理

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        在前面的内容中,我们通常使用数组来利用一段连续的内存空间来保存数据。我们前面用到的数组基本保存在栈内存中,其内存空间由系统自动分配和释放,使用非常方便,也不用担心内存管理的问题。但是在栈中分配的数组存在一个严重的问题,就是它的长度必须在建立时明确指定,且无法再运行时修改。为了防止运行时出现内存空间不够的问题,在编程时就必须定义一个非常大的数组来容纳理论上可能的最多个的元素,这样就会导致内存利用率底下,因为如果元素个数较少时大部分的内存空间都被浪费了。


        为了解决这个问题,我们可以使用C语言提供的动态内存分配这一功能。与分布在栈空间的局部变量不同,使用动态内存分配所获取的内存空间位于堆空间,可以根据需要增大或缩小分配内存的大小。不过,这种方法相对于分配于栈空间的数组也有一个明显的不足,就是必须要靠我们自己分配和释放内存,使用起来较为不便。



1、动态内存的分配和释放



        C语言提供了3个常用的库函数实现:malloc/calloc/realloc。

        malloc函数是最简单的动态内存分配函数,该函数调用时,将从程序的堆内存空间中按照要求分配一段指定长度的连续内存并返回内存的地址。该函数声明如下:
void* malloc (size_t size);

        该函数的参数为要求系统分配内存的指定长度。该函数的返回值为void型指针,通常将这个返回值赋予一个接收地址的指针变量时常使用数据类型强制转换来转为另一种类型的指针变量以供使用。如果内存分配失败,该函数会返回一个NULL地址。通过判断返回地址是否为NULL可以作为程序纠错的依据。

        下面一段小程序说明了malloc函数的简单使用方法:
int *pBuf = NULL;
pBuf = (int *)malloc(16 * sizeof(int));
if (pBuf)
{
       free(pBuf);
}

        动态内存分配完成后,可以使用指向这段内存的指针变量对其进行操作,如写入数据等。使用方法同数组完全一致,可以使用指针、间接运算符、数组下标等方法进行操作。需注意不要超过分配的内存空间的最大范围,否则可能会导致程序崩溃。

        calloc也是实现内存动态分配的函数,该函数的声明如下:
void* calloc (size_t num, size_t size);

        从函数的声明可以看出,calloc函数需要两个参数,分别表示每一个数据单元的大小以及要求分配的数据单元的个数。除此之外,该函数与malloc函数的另一个区别是,后者所分配的内存中数据未经过初始化,而前者把内存首地址返回前会先把所分配的所有内存中的数据设为0。在这一方面,calloc的作用相当于先malloc再memset。

        realloc函数的作用是修改一个已经分配好的内存区域的大小。该函数的声明为:
void* realloc (void* ptr, size_t size);

        该函数所需两个参数。第一个参数表示希望修改大小的内存地址,该地址可以为NULL,这样realloc将会重新分配一块新的内存区,同malloc的功能完全一致。第二个参数表示修改后内存区新的大小,size_t类型实际上为unsigned int型。realloc函数是扩大还是缩小原有的内存块取决于size的大小,如果新内存块的尺寸小于旧尺寸,那么内存块最后多出来的部分将被释放,剩余部分内存的内容依旧保留;如果新内存块的尺寸大于旧尺寸,则会在末尾添加上新的内存区域,而且不会为其做初始化操作。如果原来的内存块大小不能改变,那么realloc函数将会重新分配一块新的内存并将原有数据复制到其中,同时旧地址失效,以后只能使用新的地址。

        在内存动态分配成功并且使用完成之后,切记务必在恰当时间释放该块内存。释放内存使用free函数,声明如下:
void free (void* ptr);

        该函数只有一个参数就是待释放的内存地址。一旦内存被释放后,便不能再继续使用。一段内存只能被释放一次,如果重复释放同一段内存将会导致程序崩溃。为了防止这种问题发生,最好是释放掉一段内存之后,立刻将其代表的指针设为NULL,这样不但防止出现野指针的问题,而且也不会因为重复释放而导致崩溃,因为free一个空指针不会有任何效果发生。



2、防止内存泄露



        在使用动态内存管理的过程中极容易出现的一个错误就是内存泄露。所谓内存泄露,指的是一段动态分配的内存不需要再使用后,没有被释放。内存泄露可能会导致程序反复请求内存却不会释放,结果导致程序占据的内存空间不断上涨,最终耗尽系统的内存空间,导致程序崩溃甚至操作系统崩溃。

        通常越是规模较大的工程越容易出现内存泄露。解决这样的问题很难有什么捷径,只能多检查内存区域的管理流程,熟悉使用该内存区的代码如何调用,以及从代码架构上尽量减少不同模块间对内存指针的混乱管理,最后加强代码的review和测试。我们需要始终记住一点,就是只要分配完成的内存,无论代码按照哪种分支运行,都必须执行释放的过程。


3、使用动态内存分配二维和更高维度数组



        前面使用的二维数组本质上也是一段连续的内存,因此可以使用动态内存实现。
        假设我们希望实现下面这样的二维数组:
int nMat[4][6];

        这个二维数组可以看成一个矩阵,有4行,每行6个元素,共有24个int型的数据,这是二维数组的数据容器部分。另外,这个二维数组其实还包含另一个长度为4的数组,保存每一行的首地址,即int *nMat[4] 。这样,我们希望动态分配一个二维数组,需要首先分配一个长度为二维数组宽度的指针数组,来保存每一行的指针:

ppBuf = (int **)calloc(width, sizeof(int *));


        然后,这个数组的第一个元素表示第一行,这一行的地址就是整个二维数组数据空间的首地址。我们可以分配整个二维数组的内存区域并将地址赋给第一行第一个元素的地址:
ppBuf[0] = (int *)calloc(height * width, sizeof(int));

       下面的任务,就是逐个计算每一行的首地址,将这个地址赋予最早分配的那个指针数组的各个元素:

int Alloc2DMemoryInt(int ***ppBuf, int width, int height)
{
     *ppBuf = (int **)calloc(width, sizeof(int *));
     if (NULL == ppBuf)
     {
          printf("Error: Memory allocation failed in Alloc2DMemoryInt!\n");
          return -1;
     }
     
     (*ppBuf)[0] = (int *)calloc(height * width, sizeof(int));
     if (NULL == (*ppBuf)[0])
     {
          printf("Error: Memory allocation failed in Alloc2DMemoryInt!\n");
          return -1;
     }

     for (int idx = 1; idx < <span style="font-family: verdana, sans-serif;">height</span>; idx++)
     {
          (*ppBuf)[idx] = (*ppBuf)[idx - 1] + width;
     }

     return width * height * sizeof(int);
}

         然后,我们就可以按照二维数组的引用方法来引用这个内存区域内的数据。如第3行第5个元素可以使用ppBuf[3][5]进行读写。

         最后,我们始终需要牢记动态分配的内存区域必须由我们自己负责free掉。对于我们通过这种方法分配的二维数组,不能简单地通过free(ppBuf)来释放,这样一定会造成内存泄露。由于我们动态分配了两次内存,一次分配指针数组另一次分配数据数组,在释放内存时也需要释放两次。首先释放数据数组,然后释放指针数组:
if (NULL != ppBuf)
{
     if (NULL != ppBuf[0])
     {
          free(ppBuf[0]);
          ppBuf[0] = NULL;
     } 
     else
     {
          printf("Free2DMemoryInt: Error: Trying to free NULL pointer.\n");
     }

     free(ppBuf);
     ppBuf = NULL;
}
else
{
     printf("Free2DMemoryInt: Error: Trying to free NULL pointer.\n");
}

        相似的方法可用于分配三维数组。首先分配指向每一层二维数组的数组指针,然后再对每一个数组指针元素分配一个二维数组:

int Alloc3DMemoryInt(int ****ppppBuf, int layer, int width, int height)
{
     *ppppBuf = (int ***)calloc(layer, sizeof(int **));
     if (NULL == (*ppppBuf))
     {
          printf("Error: Memory allocation failed in Alloc3DMemoryInt!\n");
     }

     for (int layer_idx = 0; layer_idx < layer; layer_idx++)
     {
          Alloc2DMemoryInt((*ppppBuf)+layer_idx, width, height);
     }
     return layer * width * height * sizeof(int);
}

        释放三维数组内存空间也需要首先释放每一层的二维数组然后释放指针数组:

void Free3DMemoryInt(int ***pppBuf, int layer)
{
     if (NULL != pppBuf)
     {
          for (int layer_idx = 0; layer_idx < layer; layer_idx++)
          {
               Free2DMemoryInt(pppBuf[layer_idx]);
               pppBuf[layer_idx] = NULL;
          }
          free(pppBuf);
          pppBuf = NULL;
     } 
     else
     {
     printf("Free3DMemoryInt: Error: Trying to free NULL pointer.\n");
     }
}


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