17-分配内存_malloc()和free()

12.4　分配内存： malloc() 和 free()

我们前面讨论的存储类别有一个共同之处：在确定用哪种存储类别后，根据已制定好的内存管理规则，将自动选择其作用域和存储期。然而，还有更灵活的选择，即用库函数分配和管理内存。

首先，回顾一下内存分配。所有程序都必须预留足够的内存来存储程序使用的数据。这些内存中有些是自动分配的。例如，以下声明：

float x;
char place[] = "Dancing Oxen Creek";

为一个 float 类型的值和一个字符串预留了足够的内存，或者可以显式指定分配一定数量的内存：

int plates[100];

该声明预留了100个内存位置，每个位置都用于存储 int 类型的值。声明还为内存提供了一个标识符。因此，可以使用 x 或 place 识别数据。回忆一下，静态数据在程序载入内存时分配，而自动数据在程序执行块时分配，并在程序离开该块时销毁。

C能做的不止这些。可以在程序运行时分配更多的内存。主要的工具是 malloc() 函数，该函数接受一个参数：所需的内存字节数。 malloc() 函数会找到合适的空闲内存块，这样的内存是匿名的。也就是说， malloc() 分配内存，但是不会为其赋名。然而，它确实返回动态分配内存块的首字节地址。因此，可以把该地址赋给一个指针变量，并使用指针访问这块内存。因为 char 表示1字节， malloc() 的返回类型通常被定义为指向 char 的指针。然而，从ANSI C标准开始，C使用一个新的类型：指向 void 的指针。该类型相当于一个“通用指针”。 malloc() 函数可用于返回指向数组的指针、指向结构的指针等，所以通常该函数的返回值会被强制转换为匹配的类型。在ANSI C中，应该坚持使用强制类型转换，提高代码的可读性。然而，把指向 void 的指针赋给任意类型的指针完全不用考虑类型匹配的问题。如果 malloc() 分配内存失败，将返回空指针。

我们试着用 malloc() 创建一个数组。除了用 malloc() 在程序运行时请求一块内存，还需要一个指针记录这块内存的位置。例如，考虑下面的代码：

double * ptd;
ptd = (double *) malloc(30 * sizeof(double));

以上代码为30个 double 类型的值请求内存空间，并设置 ptd 指向该位置。注意，指针 ptd 被声明为指向一个 double 类型，而不是指向内含30个 double 类型值的块。回忆一下，数组名是该数组首元素的地址。因此，如果让 ptd 指向这个块的首元素，便可像使用数组名一样使用它。也就是说，可以使用表达式 ptd[0] 访问该块的首元素， ptd[1] 访问第2个元素，以此类推。根据前面所学的知识，可以使用数组名来表示指针，也可以用指针来表示数组。

现在，我们有3种创建数组的方法。

• 声明数组时，用常量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元素。可以用静态内存或自动内存创建这种数组。
• 声明变长数组（C99新增的特性）时，用变量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元素。具有这种特性的数组只能在自动内存中创建。
• 声明一个指针，调用 malloc() ，将其返回值赋给指针，使用指针访问数组的元素。该指针可以是静态的或自动的。

使用第2种和第3种方法可以创建动态数组（dynamic array）。这种数组和普通数组不同，可以在程序运行时选择数组的大小和分配内存。例如，假设 n 是一个整型变量。在C99之前，不能这样做：

double item[n]; /* C99之前：n不允许是变量 */

但是，可以这样做：

ptd = (double *) malloc(n * sizeof(double)); /* 可以 */

如你所见，这比变长数组更灵活。

通常， malloc() 要与 free() 配套使用。 free() 函数的参数是之前 malloc() 返回的地址，该函数释放之前 malloc() 分配的内存。因此，动态分配内存的存储期从调用 malloc() 分配内存到调用 free() 释放内存为止。设想 malloc() 和 free() 管理着一个内存池。每次调用 malloc() 分配内存给程序使用，每次调用 free() 把内存归还内存池中，这样便可重复使用这些内存。 free() 的参数应该是一个指针，指向由 malloc() 分配的一块内存。不能用 free() 释放通过其他方式（如，声明一个数组）分配的内存。 malloc() 和 free() 的原型都在 stdlib.h 头文件中。

使用 malloc() ，程序可以在运行时才确定数组大小。如程序清单12.14所示，它把内存块的地址赋给指针 ptd ，然后便可以使用数组名的方式使用 ptd 。另外，如果内存分配失败，可以调用 exit() 函数结束程序，其原型在 stdlib.h 中。 EXIT_FAILURE 的值也被定义在 stdlib.h 中。标准提供了两个返回值以保证在所有操作系统中都能正常工作： EXIT_SUCCESS （或者，相当于 0 ）表示普通的程序结束， EXIT_FAILURE 表示程序异常中止。一些操作系统（包括UNIX、Linux和Windows）还接受一些表示其他运行错误的整数值。

程序清单12.14　 dyn_arr.c 程序

/* dyn_arr.c -- 动态分配数组 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> /* 为 malloc()、free()提供原型 */
int main(void)
{
     double * ptd;
     int max;
     int number;
     int i = 0;
     puts("What is the maximum number of type double entries?");
     if (scanf("%d", &max) != 1)
     {
          puts("Number not correctly entered -- bye.");
          exit(EXIT_FAILURE);
     }
     ptd = (double *) malloc(max * sizeof(double));
     if (ptd == NULL)
     {
          puts("Memory allocation failed. Goodbye.");
          exit(EXIT_FAILURE);
     }
     /* ptd 现在指向有max个元素的数组 */
     puts("Enter the values (q to quit):");
     while (i < max && scanf("%lf", &ptd[i]) == 1)
          ++i;
     printf("Here are your %d entries:\n", number = i);
     for (i = 0; i < number; i++)
     {
          printf("%7.2f ", ptd[i]);
          if (i % 7 == 6)
               putchar('\n');
     }
     if (i % 7 != 0)
          putchar('\n');
     puts("Done.");
     free(ptd);
     return 0;
}

下面是该程序的运行示例。程序通过交互的方式让用户先确定数组的大小，我们设置数组大小为 5 。虽然我们后来输入了6个数，但程序也只处理前5个数。

What is the maximum number of entries?
5
Enter the values (q to quit):
20 30 35 25 40 80
Here are your 5 entries:
  20.00 30.00 35.00 25.00 40.00
Done.

该程序通过以下代码获取数组的大小：

if (scanf("%d", &max) != 1)
{
     puts("Number not correctly entered -- bye.");
     exit(EXIT_FAILURE);
}

接下来，分配足够的内存空间以存储用户要存入的所有数，然后把动态分配的内存地址赋给指针 ptd ：

ptd = (double *) malloc(max * sizeof (double));

在C中，不一定要使用强制类型转换 (double * ) ，但是在C++中必须使用。所以，使用强制类型转换更容易把C程序转换为C++程序。

malloc() 可能分配不到所需的内存。在这种情况下，该函数返回空指针，程序结束：

if (ptd == NULL)
{
     puts("Memory allocation failed. Goodbye.");
     exit(EXIT_FAILURE);
}

如果程序成功分配内存，便可把 ptd 视为一个有 max 个元素的数组名。

注意， free() 函数位于程序的末尾，它释放了 malloc() 函数分配的内存。 free() 函数只释放其参数指向的内存块。一些操作系统在程序结束时会自动释放动态分配的内存，但是有些系统不会。为保险起见，请使用 free() ，不要依赖操作系统来清理。

使用动态数组有什么好处？从本例来看，使用动态数组给程序带来了更多灵活性。假设你已经知道，在大多数情况下程序所用的数组都不会超过100个元素，但是有时程序确实需要10000个元素。要是按照平时的做法，你不得不为这种情况声明一个内含10000个元素的数组。基本上这样做是在浪费内存。如果需要10001个元素，该程序就会出错。这种情况下，可以使用一个动态数组调整程序以适应不同的情况。