C 语言的内存管理
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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”。
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
上面示例展示了,memcmp()
可以比较内部带有字符串终止符\0
的内存区域。