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。

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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。

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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。

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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()。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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）。

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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。

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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。

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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。

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#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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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