動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的注意事項(xiàng)及本質(zhì)是什么

C語(yǔ)言中比較重要的就是指針，它可以用來(lái)鏈表操作，談到鏈表，很多時(shí)候?yàn)榇朔峙鋬?nèi)存采用動(dòng)態(tài)分配而不是靜態(tài)分配。

本文分享自華為云社區(qū)《 【云駐共創(chuàng)】C語(yǔ)言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的本質(zhì) 》，作者：G-washington

C語(yǔ)言是一門(mén)面向過(guò)程的、抽象化的通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于底層開(kāi)發(fā)。盡管C語(yǔ)言提供了許多低級(jí)處理的功能，但仍然保持著跨平臺(tái)的特性，因?yàn)镃語(yǔ)言具有可移植性，可拓展性，可重用性等特性，促使C語(yǔ)言仍然在編程語(yǔ)言排行榜上占據(jù)一定有利地位。而C語(yǔ)言中比較重要的就是指針，它可以用來(lái)鏈表操作，談到鏈表，很多時(shí)候?yàn)榇朔峙鋬?nèi)存采用動(dòng)態(tài)分配而不是靜態(tài)分配。

內(nèi)存分配的概念

通常定義變量（或?qū)ο螅?，編譯器在編譯時(shí)都可以根據(jù)該變量（或?qū)ο螅┑念愋椭浪鑳?nèi)存空間的大小，從而系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?yàn)樗麄兎峙浯_定的存儲(chǔ)空間。這種內(nèi)存分配稱為靜態(tài)存儲(chǔ)分配；

有些操作對(duì)象只在程序運(yùn)行時(shí)才能確定，這樣編譯時(shí)就無(wú)法為他們預(yù)定存儲(chǔ)空間，只能在程序運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)的要求進(jìn)行內(nèi)存分配，這種方法稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配。所有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配都在堆區(qū)中進(jìn)行。

內(nèi)存不是取之不盡用之不竭，4g、8g、16g是常見(jiàn)的電腦內(nèi)存大小，打開(kāi)任務(wù)管理器，能看到不同的應(yīng)用占據(jù)的內(nèi)存情況。如果一個(gè)應(yīng)用程序占了大部分內(nèi)存，估計(jì)別的應(yīng)用就資源緊張了，那這個(gè)應(yīng)用可能會(huì)被卸載，找個(gè)節(jié)省內(nèi)存的。

內(nèi)存管理是計(jì)算機(jī)接近物理本質(zhì)的操作，那些程序語(yǔ)言之下的動(dòng)作，最終都要調(diào)動(dòng)內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的資源不是無(wú)限的，系統(tǒng)上運(yùn)行的程序也不是只有這一個(gè)，忽略內(nèi)存，就會(huì)設(shè)計(jì)出危險(xiǎn)的、冗余的代碼產(chǎn)品，或者沒(méi)法更好的交互。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)內(nèi)存是相對(duì)靜態(tài)內(nèi)存而言的。所謂動(dòng)態(tài)和靜態(tài)就是指內(nèi)存的分配方式。動(dòng)態(tài)內(nèi)存是指在堆上分配的內(nèi)存，而靜態(tài)內(nèi)存是指在棧上分配的內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的本質(zhì)就是，什么時(shí)候需要一塊內(nèi)存的時(shí)候，再分配這塊內(nèi)存；當(dāng)不再需要某一塊內(nèi)存的時(shí)候，就可以把這塊內(nèi)存釋放掉。這種靈活的內(nèi)存分配方式，正好適合鏈表這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)數(shù)組的缺點(diǎn)

數(shù)組與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配相比有以下缺點(diǎn)：

數(shù)組的長(zhǎng)度必須事先指定，而且只能是常量，不能是變量。

因?yàn)閿?shù)組長(zhǎng)度只能是常量，所以它的長(zhǎng)度不能在函數(shù)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)充和縮小。

對(duì)于數(shù)組所占內(nèi)存空間程序員無(wú)法手動(dòng)編程釋放，只能在函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后由系統(tǒng)自動(dòng)釋放，所以在一個(gè)函數(shù)中定義的數(shù)組只能在該函數(shù)運(yùn)行期間被其他函數(shù)使用。

而“傳統(tǒng)數(shù)組”的問(wèn)題，實(shí)際上就是靜態(tài)內(nèi)存的問(wèn)題。但是動(dòng)態(tài)內(nèi)存就不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閯?dòng)態(tài)內(nèi)存是由程序員手動(dòng)編程釋的，所以想什么時(shí)候釋放就什么時(shí)候釋放。只要程序員不手動(dòng)編程釋放，就算函數(shù)運(yùn)行結(jié)束，動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間也不會(huì)被釋放，其他函數(shù)仍可繼續(xù)使用它。除非是整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束，這時(shí)系統(tǒng)為該程序分配的所有內(nèi)存空間都會(huì)被釋放。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放

動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放主要依靠?jī)蓚€(gè)函數(shù)malloc和free。malloc 是一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，它是 memory allocate 的縮寫(xiě)。其中memory是“內(nèi)存”的意思，allocate是“分配”的意思。顧名思義 malloc 函數(shù)的功能就是“分配內(nèi)存”，要調(diào)用它必須要包含頭文件《stdlib.h》。

malloc（）函數(shù)會(huì)向堆中申請(qǐng)一片連續(xù)的可用內(nèi)存空間；若申請(qǐng)成功 ，，返回指向這片內(nèi)存空間的指針 ，若失敗 ，則會(huì)返回NULL， 所以我們?cè)谟胢alloc（）函數(shù)開(kāi)辟動(dòng)態(tài)內(nèi)存之后， 一定要判斷函數(shù)返回值是否為NULL；返回值的類型為void*型， malloc（）函數(shù)并不知道連續(xù)開(kāi)辟的size個(gè)字節(jié)是存儲(chǔ)什么類型數(shù)據(jù)的 ，所以需要我們自行決定 ，方法是在malloc（）前加強(qiáng)制轉(zhuǎn) ，轉(zhuǎn)化成我們所需類型 ，如： （int*）malloc（sizeof（int）*n）。

下面使用 malloc 函數(shù)寫(xiě)一個(gè)程序，程序的功能是：調(diào)用被調(diào)函數(shù)，將主調(diào)函數(shù)中動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)放大 10 倍。

輸出結(jié)果是：*p = 100

free是釋放函數(shù)，在堆中申請(qǐng)的內(nèi)存空間不會(huì)像在棧中存儲(chǔ)的局部變量一樣 ，函數(shù)調(diào)用完會(huì)自動(dòng)釋放內(nèi)存 ， 如果我們不手動(dòng)釋放， 直到程序運(yùn)行結(jié)束才會(huì)釋放， 這樣就可能會(huì)造成內(nèi)存泄漏， 即堆中這片內(nèi)存中的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再使用， 但它一直占著這片空間， 所以當(dāng)我們申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存不再使用時(shí) ，一定要及時(shí)釋放 。不過(guò)需要注意的是，釋放并不是指清空內(nèi)存空間，而是指將該內(nèi)存空間標(biāo)記為“可用”狀態(tài)，使操作系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)可以將它重新分配給其他變量使用。

那么，當(dāng)指針變量被釋放后，它所指向的內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)會(huì)怎樣呢？free 的標(biāo)準(zhǔn)行為只是表示這塊內(nèi)存可以被再分配，至于它里面的數(shù)據(jù)是否被清空并沒(méi)有強(qiáng)制要求。不同的編譯器處理的方式可能不一樣。我們就看一下 VC++6.0 這個(gè)編譯器是怎么處理的：

可見(jiàn)在 VC++6.0 中，當(dāng)指針變量被釋放后，雖然它仍然是指向那個(gè)內(nèi)存空間的，但那個(gè)內(nèi)存空間中的值將會(huì)被重新置一個(gè)非常小的負(fù)數(shù)。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的內(nèi)存如果不用了必須要釋放。注意，一個(gè)動(dòng)態(tài)內(nèi)存只能釋放一次。如果釋放多次程序就會(huì)崩潰，因?yàn)橐呀?jīng)釋放了，不能再釋放第二次。

綜上所述，malloc 和 free 一定要成對(duì)存在，一一對(duì)應(yīng)。有 malloc 就一定要有 free，有幾個(gè) malloc 就要有幾個(gè) free，與此同時(shí)，每釋放一個(gè)指向動(dòng)態(tài)內(nèi)存的指針變量后要立刻把它指向 NULL。

注意事項(xiàng)

1）釋放一塊內(nèi)存的一部分是不允許的。動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存必須整塊一起釋放。但是，realloc函數(shù)可以縮小一塊動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，有效地釋放它尾部的部分內(nèi)存。

2）不要訪問(wèn)已經(jīng)被free函數(shù)釋放了的內(nèi)存。假定對(duì)一個(gè)指向動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存的指針進(jìn)行了復(fù)制，而且這個(gè)指針的幾份拷貝分散于程序各處。你無(wú)法保證當(dāng)你使用其中一個(gè)指針時(shí)它所指向的內(nèi)存是不是已被另一個(gè)指針釋放。還要確保程序中所有使用這塊內(nèi)存的地方在這塊內(nèi)存釋放之前停止對(duì)它的使用。

3）當(dāng)動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存不再需要使用時(shí)，應(yīng)該被釋放，這樣可以被重新分配使用。分配內(nèi)存但在使用完畢后不釋放將引起內(nèi)存泄漏（memory leak）。

今天的分享就到這里了，大家要好好學(xué)C++喲~

編輯：jq