C之动态内存分配（三十四）

Posted 2020-11-01

        在一般的程序中，我们难免会遇到动态的申请内存，那么动态内存分配的意义到底是什么呢？在 C 语言中的一切操作都是基于内存的，变量和数组都是内存的别名。内存分配由编译器在编译期间决定，定义数组的时候必须指定数组长度，数组长度当然也是在编译期就必须确定的。

        那么为什么会有动态分配内存的需求呢？在程序运行的过程中，可能需要使用一些额外的内存空间。我们都是在 C 语言中使用 malloc 来动态申请内存的，当时释放的时候是用 free，下来我们看看 malloc 和 free 用于执行动态内存分配和释放时是怎样进行的，用下图进行说明

        我们可以看到程序通过 malloc 在内存池中进行申请，那么归还则是通过 free 进行释放的。如果我们只是 malloc 进行申请而不 free，那么我们的内存池将会被用完，那么程序也就崩溃了。这就是我们平时所说的内存泄漏。

        malloc 所分配的是一块连续的内存，它是以字节为单位并且不带任何的类型信息。free 则是用于将动态内存归还系统。这两个函数的原型是 void* malloc(size_t size)； void free(void* pointer)；我们得注意这么几点：a> malloc 和 free 是库函数，而不是系统调用；b> malloc 实际分配的内存可能会比请求的多；c> 不能依赖于不同平台下的 malloc 行为；d> 当请求的动态内存无法满足时，malloc 返回 NULL；e> 当 free 的参数为 NULL时，函数直接返回。

        那么我们接下来思考下，malloc(0) 将返回什么？是会报错？还是啥也不做？还是会出现不确定的结果？我们做下实验看看

#include <stdio.h>

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(0);
    
    printf("p = %p\n", p);
    
    return 0;
}

        我们看看编译结果

        我们看到编译器给出警告了，但是还是成功执行了。其实我们平时所说的内存有两个概念，一个是它的起始地址，一个是大小。在这块我们就好解释了，malloc(0) 只是申请的内存大小为0而已，但是它还会有起始地址。所以如果当我们在程序中无限次的 malloc(0) 时，程序最终会崩溃，因为它的地址信息也会占用空间。

        下来我们再看一个代码，是唐长老从实际工程中抽象出来的内存检测模块

test.c 源码

#include <stdio.h>
#include "mleak.h"

void f()
{
    MALLOC(100);
}

int main()
{
    int* p = (int*)MALLOC(3 * sizeof(int));
    
    f();
    
    p[0] = 1;
    p[1] = 2;
    p[2] = 3;
    
    FREE(p);
    
    PRINT_LEAK_INFO();
    
    return 0;
}

mleak.h 源码

#ifndef _MLEAK_H_
#define _MLEAK_H_

#include <malloc.h>

#define MALLOC(n) mallocEx(n, __FILE__, __LINE__)
#define FREE(p) freeEx(p)

void* mallocEx(size_t n, const char* file, const line);
void freeEx(void* p);
void PRINT_LEAK_INFO();

#endif

mleak.c 源码

#include "mleak.h"

#define SIZE 256

/* 动态内存申请参数结构体 */
typedef struct
{
    void* pointer;
    int size;
    const char* file;
    int line;
} MItem;

static MItem g_record[SIZE]; /* 记录动态内存申请的操作 */

void* mallocEx(size_t n, const char* file, const line)
{
    void* ret = malloc(n); /* 动态内存申请 */
    
    if( ret != NULL )
    {
        int i = 0;
        
        /* 遍历全局数组，记录此次操作 */
        for(i=0; i<SIZE; i++)
        {
            /* 查找位置 */
            if( g_record[i].pointer == NULL )
            {
                g_record[i].pointer = ret;
                g_record[i].size = n;
                g_record[i].file = file;
                g_record[i].line = line;
                break;
            }
        }
    }
    
    return ret;
}

void freeEx(void* p)
{
    if( p != NULL )
    {
        int i = 0;
        
        /* 遍历全局数组，释放内存空间，并清除操作记录 */
        for(i=0; i<SIZE; i++)
        {
            if( g_record[i].pointer == p )
            {
                g_record[i].pointer = NULL;
                g_record[i].size = 0;
                g_record[i].file = NULL;
                g_record[i].line = 0;
                
                free(p);
                
                break;
            }
        }
    }
}

void PRINT_LEAK_INFO()
{
    int i = 0;
    
    printf("Potential Memory Leak Info:\n");
    
    /* 遍历全局数组，打印未释放的空间记录 */
    for(i=0; i<SIZE; i++)
    {
        if( g_record[i].pointer != NULL )
        {
            printf("Address: %p, size:%d, Location: %s:%d\n", g_record[i].pointer, g_record[i].size, g_record[i].file, g_record[i].line);
        }
    }
}

        我们看到在 test.c 中第6行 f() 函数中动态申请了内存，但是没有进行释放。由于是局部的，当这个函数调用完后，将产生内存泄漏。那么我们在第 21 行将会打印出信息。我们这个对应的函数是怎么实现的呢，在 mleak.c 中将申请得到的内存地址放入一个数组中，在后面会进行检查，如果进行 FREE 操作，便会在数组中对应的删除标记，否则标记存在。如果标记存在，我们则会打印出对应的信息来。我们来看看编译结果

        我们看到在地址为 0x9d13018 处存在100大小的内存没进行释放，它位于 test.c 的第6行。下来我们注释掉 teat.c 中的第19行，看看这个内存没进行释放是否会打印出来

        我们看到一样的打印出来了。证明我们这个内存泄漏的检测模块还是很准的。

        下来我们在来看看 calloc 和 realloc，它们是 malloc 的同胞兄弟，原型分别为：void* calloc(size_t num, size_t size)； void* realloc(void* pointer, size_t new_size)；那么 calloc 的参数代表所返回内存的类型信息，其中 calloc  会将返回的内存初始化为 0；realloc 用于修改一个原先已经分配 的内存块大小，在使用 realloc 之后应该使用其返回值，当 pointer 的第一个参数为 NULL 时，等价于 malloc。

        下来我们以代码为例进行分析

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

#define SIZE 5

int main()
{
    int i = 0;
    int* pI = (int*)malloc(SIZE * sizeof(int));
    short* pS = (short*)calloc(SIZE, sizeof(short));
    
    for(i=0; i<SIZE; i++)
    {
        printf("pI[%d] = %d, pS[%d] = %d\n", i, pI[i], i, pS[i]);
    }
    
    printf("Before: pI = %p\n", pI);
    
    pI = (int*)realloc(pI, 2 * SIZE * sizeof(int));
    
    printf("After: pI = %p\n", pI);
    
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        printf("pI[%d] = %d\n", i, pI[i]);
    }
    
    free(pI);
    free(pS);
    
    return 0;
}

        我们看看编译结果

        按照我们前面讲的，数组 pI 中的数应该是随机数的，数组 pS 的数是被初始化为 0 的。可是现在全是0，别着急，这只是 gcc 中做的优化。我们看到数组 pI 在调用 realloc 后的大小确实改变了，并且地址也变了。下来我们看看 BCC 编译器中是怎样的

        我们看到数组 pI 中的数确实是随机数了，而数组 pS 中的数依旧全是 0。通过本节对动态内存分配的学习，总结如下：1、动态内存分配是 C 语言中的强大功能，程序能够在需要的时候有机会使用更多的内存；2、malloc 单纯的从系统中申请固定字节大小的内存，calloc 能以类型大小为单位申请内存并初始化为0，realloc 用于重置内存大小。

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