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C语言探索之旅 | 第二部分第八课：动态分配

由 半世苍凉 提交于 2020-08-06 13:53:13

>作者 谢恩铭，公众号「程序员联盟」（微信号：coderhub）。 转载请注明出处。 原文：https://www.jianshu.com/p/bbce8f04faf1

>《C语言探索之旅》全系列

内容简介

  1. 前言
  2. 变量的大小
  3. 内存的动态分配
  4. 动态分配一个数组
  5. 总结
  6. 第二部分第九课预告

1. 前言

上一课是 C语言探索之旅 | 第二部分第七课：文件读写 。

经历了第二部分的一些难点课程，我们终于来到了这一课，一个听起来有点酷酷的名字：动态分配。

>“万水千山总是情，分配也由系统定”。

到目前为止，我们创建的变量都是系统的编译器为我们自动构建的，这是简单的方式。

其实还有一种更偏手动的创建变量的方式，我们称为“动态分配”（Dynamic Allocation）。dynamic 表示“动态的”，allocation 表示“分配”。

动态分配的一个主要好处就是可以在内存中“预置”一定空间大小，在编译时还不知道到底会用多少。

使用这个技术，我们可以创建大小可变的数组。到目前为止我们所创建的数组都是大小固定不可变的。而学完这一课后我们就会创建所谓“动态数组”了。

学习这一章需要对指针有一定了解，如果指针的概念你还没掌握好，可以回去复习 C语言探索之旅 | 第二部分第二课：进击的指针，C语言的王牌！ 那一课。

我们知道当我们创建一个变量时，在内存中要为其分配一定大小的空间。例如：

int number = 2;

当程序运行到这一行代码时，会发生几件事情：

  1. 应用程序询问操作系统（Operating System，简称 OS。例如Windows，Linux，macOS，Android，iOS，等）是否可以使用一小块内存空间。

  2. 操作系统回复我们的程序，告诉它可以将这个变量存储在内存中哪个地方（给出分配的内存地址）。

  3. 当函数结束后，你的变量会自动从内存中被删除。你的程序对操作系统说：“我已经不需要内存中的这块地址了，谢谢！” （当然，实际上你的程序不可能对操作系统说一声“谢谢”，但是确实是操作系统在掌管一切，包括内存，所以对它还是客气一点比较好...）。

可以看到，以上的过程都是自动的。当我们创建一个变量，操作系统就会自动被程序这样调用。

那么什么是手动的方式呢？说实在的，没人喜欢把事情复杂化，如果自动方式可行，何必要大费周章来使用什么手动方式呢？但是要知道，很多时候我们是不得不使用手动方式。

这一课中，我们将会：

  1. 探究内存的机制（是的，虽然以前的课研究过，但是还是要继续深入），了解不同变量类型所占用的内存大小。

  2. 接着，探究这一课的主题，来学习如何向操作系统动态请求内存。也就是所谓的“动态内存分配”。

  3. 最后，通过学习如何创建一个在编译时还不知道其大小（只有在程序运行时才知道）的数组来了解动态内存分配的好处。

准备好了吗？Let's Go !

2. 变量的大小

根据我们所要创建的变量的类型（char，int，double，等等），其所占的内存空间大小是不一样的。

事实上，为了存储一个大小在 -128 至 127 之间的数（char 类型），只需要占用一个字节（8 个二进制位）的内存空间，是很小的。

然而，一个 int 类型的变量就要占据 4 个字节了；一个 double 类型要占据 8 个字节。

问题是：并不总是这样。

什么意思呢？

因为类型所占内存的大小还与操作系统有关系。不同的操作系统可能就不一样，32 位和 64 位的操作系统的类型大小一般会有区别。

这一节中我们的目的是学习如何获知变量所占用的内存大小。

有一个很简单的方法：使用 sizeof()。

虽然看着有点像函数，但其实 sizeof 不是一个函数，而是一个 C语言的关键字，也算是一个运算符吧。

我们只需要在 sizeof 的括号里填入想要检测的变量类型，sizeof 就会返回所占用的字节数了。

例如，我们要检测 int 类型的大小，就可以这样写：

sizeof(int)

在编译时，sizeof(int) 就会被替换为 int 类型所占用的字节数了。

在我的电脑上，sizeof(int) 是 4，也就是说 int 类型在我的电脑的内存中占据 4 个字节。在你的电脑上，也许是 4，但也可能是其他的值。

我们用一个例子来测试一下吧：

// octet 是英语“字节”的意思，和 byte 类似
printf("char : %d octets\n", sizeof(char));
printf("int : %d octets\n", sizeof(int));
printf("long : %d octets\n", sizeof(long));
printf("double : %d octets\n", sizeof(double));

在我的电脑（64 位）运行，输出：

char : 1 octets
int : 4 octets
long : 8 octets
double : 8 octets

我们并没有测试所有已知的变量类型，你也可以课后自己去测试一下其他的类型，例如：short，float。

曾几何时，当电脑的内存很小的年代，有这么多不同大小的变量类型可供选择是一件很好的事，因为我们可以选“够用的最小的”那种变量类型，以节约内存。

现在，电脑的内存一般都很大，“有钱任性”么。所以我们在编程时也没必要太“拘谨”。不过在嵌入式领域，内存大小一般是有限的，我们就得斟酌着使用变量类型了。

既然 sizeof 这么好用，我们可不可以用它来显示我们自定义的变量类型的大小呢？例如 struct，enum，union。

是可以的。写一个程序测试一下：

#include <stdio.h>

typedef struct Coordinate
{
    int x;
    int y;
} Coordinate;

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("Coordinate 结构体的大小是 : %d 个字节\n", sizeof(Coordinate));

    return 0;
}

运行输出：

Coordinate 结构体的大小是 : 8 个字节

对于内存的全新视角

之前，我们在绘制内存图示时，还是比较不精准的。现在，我们知道了每个变量所占用的大小，我们的内存图示就可以变得更加精准了。

假如我定义一个 int 类型的变量：

int age = 17;

我们用 sizeof 测试后得知 int 的大小为 4。假设我们的变量 age 被分配到的内存地址起始是 1700，那么我们的内存图示就如下所示：

我们看到，我们的 int 型变量 age 在内存中占用 4 个字节，起始地址是 1700（它的内存地址），一直到 1703。

如果我们对一个 char 型变量（大小是一个字节）同样赋值：

char number = 17;

那么，其内存图示是这样的：

假如是一个 int 型的数组：

int age[100];

用 sizeof() 测试一下，就可以知道在内存中 age 数组占用 400 个字节。4 * 100 = 400。

即使这个数组没有赋初值，但是在内存中仍然占据 400 个字节的空间。变量一声明，在内存中就为它分配一定大小的内存了。

那么，如果我们创建一个类型是 Coordinate 的数组呢？

Coordinate coordinate[100];

其大小就是 8 * 100 = 800 个字节了。

3. 内存的动态分配

好了，现在我们就进入这一课的关键部分了，重提一次这一课的目的：学会如何手动申请内存空间。

我们需要引入 stdlib.h 这个标准库头文件，因为接下来要使用的函数是定义在这个库里面。

这两个函数是什么呢？就是：

  • malloc：是 Memory Allocation 的缩写，表示“内存分配”。询问操作系统能否预支一块内存空间来使用。

  • free：表示“解放，释放，自由的”。意味着“释放那块内存空间”。告诉操作系统我们不再需要这块已经分配的空间了，这块内存空间会被释放，另一个程序就可以使用这块空间了。

当我们手动分配内存时，须要按照以下三步顺序来：

  1. 调用 malloc 函数来申请内存空间。

  2. 检测 malloc 函数的返回值，以得知操作系统是否成功为我们的程序分配了这块内存空间。

  3. 一旦使用完这块内存，不再需要时，必须用 free 函数来释放占用的内存，不然可能会造成内存泄漏。

以上三个步骤是不是让我们回忆起关于上一课“文件读写”的内容了？

这三个步骤和文件指针的操作有点类似，也是先申请内存，检测是否成功，用完释放。

malloc 函数：申请内存

malloc 分配的内存是在堆上，一般的局部变量（自动分配的）大多是在栈上。

关于堆和栈的区别，还有内存的其他区域，如静态区等，大家可以自己延伸阅读。

之前“字符串”那一课里已经给出过一张图表了。再来回顾一下吧：

名称 内容
代码段 可执行代码、字符串常量
数据段 已初始化全局变量、已初始化全局静态变量、局部静态变量、常量数据
BSS段 未初始化全局变量，未初始化全局静态变量
栈 局部变量、函数参数
堆 动态内存分配

给出 malloc 函数的原型，你会发现有点滑稽：

void* malloc(size_t numOctetsToAllocate);

可以看到，malloc 函数有一个参数 numOctetsToAllocate，就是需要申请的内存空间大小（用字节数表示），这里的 size_t（之前的课程有提到过）其实和 int 是类似的，就是一个 define 宏定义，实际上很多时候就是 int。

对于我们目前的演示程序，可以将 sizeof(int) 置于 malloc 的括号中，表示要申请 int 类型的大小的空间。

真正引起我们兴趣的是 malloc 函数的返回值：

void*

如果你还记得我们在函数那章所说的，void 表示“空”，我们用 void 来表示函数没有返回值。

所以说，这里我们的函数 malloc 会返回一个指向 void 的指针，一个指向“空”（void 表示“虚无，空”）的指针，有什么意义呢？malloc 函数的作者不会搞错了吧？

不要担心，这么做肯定是有理由的。

>难道有人敢质疑老爷子 Dennis Ritchie（C语言的作者）的智商？ 来人呐，拖出去... 罚写 100 个 C语言小游戏。

事实上，这个函数返回一个指针，指向操作系统分配的内存的首地址。

如果操作系统在 1700 这个地址为你开辟了一块内存的话，那么函数就会返回一个包含 1700 这个值的指针。

但是，问题是：malloc 函数并不知道你要创建的变量是什么类型的。

实际上，你只给它传递了一个参数： 在内存中你需要申请的字节数。

如果你申请 4 个字节，那么有可能是 int 类型，也有可能是 long 类型。

正因为 malloc 不知道自己应该返回什么变量类型（它也无所谓，只要分配了一块内存就可以了），所以它会返回 void* 这个类型。这是一个可以表示任意指针类型的指针。

void* 与其他类型的指针之间可以通过强制转换来相互转换。例如：

int *i = (int *)p;  // p 是一个 void* 类型的指针

void *v = (void *)c;  // c 是一个 char* 类型的指针

实践

如果我实际来用 malloc 函数分配一个 int 型指针：

int *memoryAllocated = NULL;  // 创建一个 int 型指针

memoryAllocated = malloc(sizeof(int));  // malloc 函数将分配的地址赋值给我们的指针 memoryAllocated

经过上面的两行代码，我们的 int 型指针 memoryAllocated 就包含了操作系统分配的那块内存地址的首地址值。

假如我们用之前我们的图示来举例，这个值就是 1700。

检测指针

既然上面我们用两行代码使得 memoryAllocated 这个指针包含了分配到的地址的首地址值，那么我们就可以通过检测 memoryAllocated 的值来判断申请内存是否成功了：

  1. 如果为 NULL，则说明 malloc 调用没有成功。

  2. 否则，就说明成功了。

一般来说内存分配不会失败，但是也有极端情况：

  1. 你的内存（堆内存）已经不够了。

  2. 你申请的内存值大得离谱（比如你申请 64 GB 的内存空间，那我想大多数电脑都是不可能分配成功的）。

希望大家每次用 malloc 函数时都要做指针的检测，万一真的出现返回值为 NULL 的情况，那我们需要立即停止程序，因为没有足够的内存，也不可能进行下面的操作了。

为了中断程序的运行，我们来使用一个新的函数：

exit()

exit 函数定义在 stdlib.h 中，调用此函数会使程序立即停止。

这个函数也只有一个参数，就是返回值，这和 return 函数的参数是一样原理的。实例：

int main(int argc, char *argv[])
{
    int *memoryAllocated = NULL;

    memoryAllocated = malloc(sizeof(int));

    if (memoryAllocated == NULL)  // 如果分配内存失败
    {
        exit(0);  // 立即停止程序
    }

    // 如果指针不为 NULL，那么可以继续进行接下来的操作

    return 0;
}

另外一个问题：用 malloc 函数申请 0 字节内存会返回 NULL 指针吗？

可以测试一下，也可以去查找关于 malloc 函数的说明文档。

>申请 0 字节内存，函数并不返回 NULL，而是返回一个正常的内存地址。 但是你却无法使用这块大小为 0 的内存！

这就好比尺子上的某个刻度，刻度本身并没有长度，只有某两个刻度一起才能量出长度。

对于这一点一定要小心，因为这时候 if(NULL != p) 语句校验将不起作用。

free函数：释放内存

记得上一课我们使用 fclose 函数来关闭一个文件指针，也就是释放占用的内存。

free 函数的原理和 fclose 是类似的，我们用它来释放一块我们不再需要的内存。原型：

void free(void* pointer);

free 函数只有一个目的：释放 pointer 指针所指向的那块内存。

实例程序：

int main(int argc, char *argv[])
{
    int* memoryAllocated = NULL;

    memoryAllocated = malloc(sizeof(int));

    if (memoryAllocated == NULL)  // 如果分配内存失败
    {
        exit(0);  // 立即停止程序
    }

    // 此处添加使用这块内存的代码

    free(memoryAllocated);  // 我们不再需要这块内存了，释放之

    return 0;
}

综合上面的三个步骤，我们来写一个完整的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int* memoryAllocated = NULL;

    memoryAllocated = malloc(sizeof(int));  // 分配内存

    if (memoryAllocated == NULL)  // 检测是否分配成功
    {
        exit(0);  // 不成功，结束程序
    }

    // 使用这块内存
    printf("您几岁了 ? ");

    scanf("%d", memoryAllocated);

    printf("您已经 %d 岁了\n", *memoryAllocated);

    free(memoryAllocated);  // 释放这块内存

    return 0;
}

运行输出：

您几岁了 ? 32
您已经 32 岁了

以上就是我们用动态分配的方式来创建了一个 int 型变量，使用它，释放它所占用的内存。

但是，我们也完全可以用以前的方式来实现，如下:

int main(int argc, char *argv[])
{
    int myAge = 0; // 分配内存 (自动)

    // 使用这块内存
    printf("您几岁了 ? ");

    scanf("%d", &amp;myAge);

    printf("你已经 %d 岁了\n", myAge);

    return 0;
}  // 释放内存 (在函数结束后自动释放)

在这个简单使用场景下，两种方式（手动和自动）都是能完成任务的。

总结说来，创建一个变量（说到底也就是分配一块内存空间）有两种方式：自动和手动。

  • 自动：我们熟知并且一直使用到现在的方式。

  • 手动（动态）：这一课我们学习的内容。

你可能会说：“我发现动态分配内存的方式既复杂又没什么用嘛！”

复杂么？还行吧，确实相对自动的方式要考虑比较多的因素。

没有用么？绝不！

因为很多时候我们不得不使用手动的方式来分配内存。

接下来我们就来看一下手动方式的必要性。

4. 动态分配一个数组

暂时我们只是用手动方式来创建了一个简单的变量。

然而，一般说来，我们的动态分配可不是这样“大材小用”的。

如果只是创建一个简单的变量，我们用自动的方式就够了。

那你会问：“啥时候须要用动态分配啊？”

问得好。动态分配最常被用来创建在运行时才知道大小的变量，例如动态数组。

假设我们要存储一个用户的朋友的年龄列表，按照我们以前的方式（自动方式），我们可以创建一个 int 型的数组：

int ageFriends[18];

很简单对吗？那问题不就解决了？

但是以上方式有两个缺陷：

  1. 你怎么知道这个用户只有 18 个朋友呢？可能他有更多朋友呢。

  2. 你说：“那好，我就创建一个数组：

int ageFriends[10000];

足够储存 1 万个朋友的年龄。”

但是问题是：可能我们使用到的只是这个大数组的很小一部分，岂不是浪费内存嘛。

最恰当的方式是询问用户他有多少朋友，然后创建对应大小的数组。

而这样，我们的数组大小就只有在运行时才能知道了。

Voila，这就是动态分配的优势了：

  1. 可以在运行时才确定申请的内存空间大小。

  2. 不多不少刚刚好，要多少就申请多少，不怕不够或过多。

所以借着动态分配，我们就可以在运行时询问用户他到底有多少朋友。

如果他说有 20 个，那我们就申请 20 个 int 型的空间；如果他说有 50 个，那就申请 50 个。经济又环保。

我们之前说过，C语言中禁止用变量名来作为数组大小，例如不能这样：

int ageFriends[numFriends];  // numFriends 是一个变量

尽管有的 C编译器可能允许这样的声明，但是我们不推荐。

我们来看看用动态分配的方式如何实现这个程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int numFriends = 0, i = 0;

    int *ageFriends= NULL;  // 这个指针用来指示朋友年龄的数组

    // 询问用户有多少个朋友
    printf("请问您有多少朋友 ? ");

    scanf("%d", &amp;numFriends);

    if (numFriends &gt; 0)  // 至少得有一个朋友吧，不然也太惨了 :P
    {
        ageFriends = malloc(numFriends * sizeof(int));  // 为数组分配内存
        if (ageFriends== NULL)  // 检测分配是否成功
        {
            exit(0); // 分配不成功，退出程序
        }

        // 逐个询问朋友年龄
        for (i = 0 ; i &lt; numFriends; i++)  {
            printf("第%d位朋友的年龄是 ? ", i + 1);
            scanf("%d", &amp;ageFriends[i]);
        }

        // 逐个输出朋友的年龄
        printf("\n\n您的朋友的年龄如下 :\n");
        for (i = 0 ; i &lt; numFriends; i++) {
            printf("%d 岁\n", ageFriends[i]);
        }

        // 释放 malloc 分配的内存空间，因为我们不再需要了
        free(ageFriends);
    }

    return 0;
}

运行输出：

请问您有多少朋友 ? 7
第1位朋友的年龄是 ? 25
第2位朋友的年龄是 ? 21
第3位朋友的年龄是 ? 27
第4位朋友的年龄是 ? 18
第5位朋友的年龄是 ? 14
第6位朋友的年龄是 ? 32
第7位朋友的年龄是 ? 30

您的朋友的年龄如下 :
25岁
21岁
27岁
18岁
14岁
32岁
30岁

当然了，这个程序比较简单，但我向你保证以后的课程会使用动态分配来做更有趣的事。

5. 总结

  1. 不同类型的变量在内存中所占的大小不尽相同。

  2. 借助 sizeof 这个关键字（也是运算符）可以知道一个类型所占的字节数。

  3. 动态分配就是在内存中手动地预留一块空间给一个变量或者数组。

  4. 动态分配的常用函数是 malloc（当然，还有 calloc，realloc，可以查阅使用方法，和 malloc 是类似的），但是在不需要这块内存之后，千万不要忘了使用 free 函数来释放。而且，malloc 和 free 要一一对应，不能一个 malloc 对应两个 free，会出错；或者两个 malloc 对应一个 free，会内存泄露！

  5. 动态分配使得我们可以创建动态数组，就是它的大小在运行时才能确定。

6. 第二部分第九课预告

今天的课就到这里，一起加油吧！

下一课： C语言探索之旅 | 第二部分第九课： 实战"悬挂小人"游戏

>我是 谢恩铭，公众号「程序员联盟」（微信号：coderhub）运营者，慕课网精英讲师 Oscar 老师，终生学习者。 热爱生活，喜欢游泳，略懂烹饪。 人生格言：「向着标杆直跑」</stdlib.h></stdio.h></stdlib.h></stdio.h></stdio.h>

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