7.4 內(nèi)存的使用
指針是一個非常靈活且強大的編程工具，有非常廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)C程序都在某種程度上使用了指針。C語言還進一步增強了指針的功能，為在代碼中使用指針提供了很強的激勵機制，它允許在執(zhí)行程序時動態(tài)分配內(nèi)存。只有使用指針，才能動態(tài)分配內(nèi)存。
第5章的一個程序計算一組學(xué)生的平均分，當(dāng)時它只處理10個學(xué)生。假設(shè)要編寫一個程序，但事先不知道要處理多少個學(xué)生，若使用動態(tài)內(nèi)存分配(dynamic memory allocation)，所使用的內(nèi)存就不會比指定的學(xué)生分數(shù)所需的內(nèi)存多?？梢栽趫?zhí)行時創(chuàng)建足以容納所需數(shù)據(jù)量的數(shù)組。
在程序的執(zhí)行期間分配內(nèi)存時，內(nèi)存區(qū)域中的這個空間稱為堆(heap)。還有另一個內(nèi)存區(qū)域，稱為堆棧(stack)，其中的空間分配給函數(shù)的參數(shù)和本地變量。在執(zhí)行完該函數(shù)后，存儲參數(shù)和本地變量的內(nèi)存空間就會釋放。堆中的內(nèi)存是由程序員控制的。如本章后面所述，在分配堆上的內(nèi)存時，由程序員跟蹤所分配的內(nèi)存何時不再需要，并釋放這些空間，以便于以后重用它們。
7.4.1 動態(tài)內(nèi)存分配：malloc()函數(shù)
在運行時分配內(nèi)存的最簡單的標準庫函數(shù)是malloc()。使用這個函數(shù)時，需要在程序中包含頭文件。使用malloc()函數(shù)需指定要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)作為參數(shù)。這個函數(shù)返回所分配內(nèi)存的第一個字節(jié)的地址。因為返回的是一個地址，所以這里可以使用指針。
動態(tài)內(nèi)存分配的一個例子如下：
int *pNumber = (int *)malloc(100);
這條語句請求100個字節(jié)的內(nèi)存，并把這個內(nèi)存塊的地址賦予pNumber。只要不修改它，任何時間使用這個變量pNumber，它都會指向所分配的100個字節(jié)的第一個int的位置。這個內(nèi)存塊能保存25個int值，每個int占4個字節(jié)。
注意，類型轉(zhuǎn)換(int*)將函數(shù)返回的地址轉(zhuǎn)換成int類型的指針。這么做是因為malloc()是一般用途的函數(shù)，可為任何類型的數(shù)據(jù)分配內(nèi)存。這個函數(shù)不知道要這個內(nèi)存作什么用，所以它返回的是一個void類型的指針，寫做void*。類型void*的指針可以指向任意類型的數(shù)據(jù)，然而不能取消對void指針的引用，因為它指向未具體說明的對象。許多編譯器會把malloc()返回的地址自動轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)念愋?，且不會傷害具體指定的對象。
可以請求任意數(shù)量的字節(jié)，字節(jié)數(shù)僅受制于計算機中未用的內(nèi)存以及malloc()的運用場合。如果因某種原因而不能分配請求的內(nèi)存，malloc()會返回一個NULL指針。這個指針等于0。最好先用if語句檢查請求動態(tài)分配的內(nèi)存是否已分配，再使用它。就如同金錢，沒錢又想花費，會帶來災(zāi)難性的后果。因此，應(yīng)編寫如下語句：
if(pNumber == NULL)
{
/*Code to deal with no memory allocated */
}
如果指針是NULL，最好執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮?。例如，至少可以顯示一條信息"內(nèi)存不足"，然后中止程序。這比允許程序繼續(xù)執(zhí)行，使之使用NULL地址存儲數(shù)據(jù)導(dǎo)致崩潰要好得多。然而，在某些情況下，可以釋放在別的地方使用的內(nèi)存，以便程序有足夠的內(nèi)存繼續(xù)執(zhí)行下去。
7.4.2 分配內(nèi)存時使用sizeof運算符
前一個例子很不錯，但我們不常處理字節(jié)，而常常處理int、double等數(shù)據(jù)類型。例如給75個int類型的數(shù)據(jù)項分配內(nèi)存，可以使用以下的語句：
pNumber = (int *) malloc(75*sizeof(int));
如前所述，sizeof是一個運算符，它返回一個size_t類型的無符號整數(shù)，該整數(shù)是存儲它的參數(shù)需要的字節(jié)數(shù)。它把關(guān)鍵字如int或float等作為參數(shù)，返回存儲該類型的數(shù)據(jù)項所需的字節(jié)數(shù)。它的參數(shù)也可以是變量或數(shù)組名。把數(shù)組名作為參數(shù)時，sizeof返回存儲整個數(shù)組所需的字節(jié)數(shù)。前一個例子請求分配足以存儲75個int數(shù)據(jù)項的內(nèi)存。以這種方式使用sizeof，可以根據(jù)不同的C編譯器為int類型的值自動調(diào)整所需的內(nèi)存空間。
試試看：動態(tài)內(nèi)存分配
下面使用指針來計算質(zhì)數(shù)，將動態(tài)內(nèi)存分配的概念應(yīng)用于實踐。質(zhì)數(shù)是只能被1和這個數(shù)本身整除的整數(shù)。
查找質(zhì)數(shù)的過程非常簡單。首先，由觀察得知，2、3和5是前三個質(zhì)數(shù)，因為它們不能被除了1以外更小的數(shù)整除。其他質(zhì)數(shù)必定都是奇數(shù)(否則它們可以被2整除)，所以要找出下一個質(zhì)數(shù)，可以從最后一個質(zhì)數(shù)開始，給它加2。檢查完這個數(shù)后，再給它加2，繼續(xù)檢查。
檢查一個數(shù)是否為質(zhì)數(shù)，而不只是奇數(shù)，可以用這個數(shù)除以比它小的所有奇數(shù)。其實不需要這么麻煩。如果一個數(shù)不是質(zhì)數(shù)，它必定能被比它小的質(zhì)數(shù)整除。我們要按順序查找質(zhì)數(shù)，所以可以把已經(jīng)找到的質(zhì)數(shù)作為除數(shù)，確定所檢查的數(shù)是否為質(zhì)數(shù)。
這個程序?qū)⑹褂弥羔樅蛣討B(tài)內(nèi)存分配：
/* Program 7.11 A dynamic prime example */
#include
#include
#include int main(void)
{
unsigned long *primes = NULL; /* Pointer to primes storage area */
unsigned long trial = 0; /* Integer to be tested */
bool found = false; /* Indicates when we find a prime */
size_t total = 0; /* Number of primes required */
size_t count = 0; /* Number of primes found */printf("How many primes would you like - you'll get at least 4? ");
scanf("%u", &total); /* Total is how many we need to find */
total = total<4U ? 4U:total; /* Make sure it is at least 4 *//* Allocate sufficient memory to store the number of primes required */
primes = (unsigned long *)malloc(total*sizeof(unsigned long));
if(primes == NULL)
{
printf("Not enough memory. Hasta la Vista, baby.");
return 1;
}/* We know the first three primes */
/* so let's give the program a start. */
*primes = 2UL; /* First prime */
*(primes+1) = 3UL; /* Second prime */
*(primes+2) = 5UL; /* Third prime */
count = 3U; /* Number of primes stored */
trial = 5U; /* Set to the last prime we have *//* Find all the primes required */
while(count
{
trial += 2UL; /* Next value for checking *//* Try dividing by each of the primes we have */
/* If any divide exactly - the number is not prime */
for(size_t i = 0 ; i < count ; i++)
if(!(found = (trial % *(primes+i))))
break; /* Exit if no remainder */if(found) /* we got one - if found is true */
*(primes+count++) = trial; /* Store it and increment count */
}/* Display primes 5-up */
for(size_t i = 0 ; i < total ; i ++)
{
if(!(i%5U))
printf(""); /* Newline after every 5 */
printf ("%12lu", *(primes+i));
}
printf(""); /* Newline for any stragglers */
return 0;
}
程序的輸出如下：
How many primes would you like - you'll get at least 4? 25
2 3 5 7 11
13 17 19 23 29
31 37 41 43 47
53 59 61 67 71
73 79 83 89 97
代碼的說明
在這個例子中，可以輸入要程序產(chǎn)生的質(zhì)數(shù)個數(shù)。指針變量primes引用一塊用于存儲所計算的質(zhì)數(shù)的內(nèi)存區(qū)。然而，在程序中沒有一開始就定義內(nèi)存。這塊空間是在輸入質(zhì)數(shù)個數(shù)后分配的：
printf("How many primes would you like - you'll get at least 4? ");
scanf("%u", &total); /* Total is how many we need to find */
total = total<4U ? 4U:total; /* Make sure it is at least 4 */
在提示后，輸入的值存儲在total中。下一行語句確保total至少是4。這是因為程序?qū)⒍x并存儲已知的前三個質(zhì)數(shù)。
然后，使用total的值分配適當(dāng)數(shù)量的內(nèi)存來存儲質(zhì)數(shù)：
primes = (unsigned long *)malloc(total*sizeof(unsigned long));
if(primes == NULL)
{
printf("Not enough memory. Hasta la Vista, baby.");
return 1;
}
質(zhì)數(shù)的大小增長得比其數(shù)量快，所以把它們存儲在unsigned long類型中。但如果要指定可以處理的最大質(zhì)數(shù)，可以使用unsigned long long類型。程序把每個質(zhì)數(shù)存儲為類型long，所以需要的字節(jié)數(shù)是total*sizeof(unsigned long)。如果malloc()函數(shù)返回NULL，就不分配內(nèi)存，而是顯示一條信息，并結(jié)束程序。
可以指定最大的質(zhì)數(shù)個數(shù)取決于計算機的可用內(nèi)存和編譯器使用malloc()一次能分配的內(nèi)存量，前者是主要的限制。malloc()函數(shù)的參數(shù)是size_t類型，所以size_t對應(yīng)的整數(shù)類型限制了可以指定的字節(jié)數(shù)。如果size_t對應(yīng)4字節(jié)的無符號整數(shù)，則一次至多可以分配4 294 967 295個字節(jié)。
一旦有了分配給質(zhì)數(shù)的內(nèi)存，就定義前三個質(zhì)數(shù)，將它們存儲到primes指針指向的內(nèi)存區(qū)的前三個位置：
*primes = 2UL; /* First prime */
*(primes+1) = 3UL; /* Second prime */
*(primes+2) = 5UL; /* Third prime */
可以看到，引用連續(xù)的內(nèi)存位置是很簡單的。primes是unsigned long類型的指針，所以primes+1引用第二個位置的地址-- 這個地址是primes加上存儲一個unsigned long類型數(shù)據(jù)項所需的字節(jié)數(shù)。使用間接運算符存儲每個值；否則就要修改這個地址本身。
有了三個質(zhì)數(shù)，就把count變量設(shè)定為3，用最后一個質(zhì)數(shù)5初始化變量trial：
count = 3U; /* Number of primes stored */
trial = 5U; /* Set to the last prime we have */
開始查找下一個質(zhì)數(shù)時，給trial中的值加2，得到下一個要測試的數(shù)。所有的質(zhì)數(shù)都在while循環(huán)內(nèi)查找：
while(count
{
...
}
在循環(huán)內(nèi)每找到一個質(zhì)數(shù)，就遞增count變量，當(dāng)它到達total值時，循環(huán)就結(jié)束。
在while循環(huán)內(nèi)，首先將trial的值加2UL，然后測試它是否是質(zhì)數(shù)：
trial += 2UL; /* Next value for checking *//* Try dividing by each of the primes we have */
/* If any divide exactly - the number is not prime */
for(size_t i = 0 ; i < count ; i++)
if(!(found = (trial % *(primes+i))))
break; /* Exit if no remainder */
for循環(huán)用于測試。在這個循環(huán)內(nèi)，把trial除以每個質(zhì)數(shù)的余數(shù)存放到found中。如果除盡，余數(shù)就是0，因此found設(shè)置為false。如果余數(shù)是0，就表示trial中的值不是質(zhì)數(shù)，可以繼續(xù)測試下一個數(shù)。
賦值表達式的值存儲到賦值運算符左邊的變量中。因此，表達式(found= (trial ％*(primes+i))) 的結(jié)果存儲到found中。如果除盡，found就是false，表達式!(found=(trial％*(primes+i)))將是true，執(zhí)行break語句。因此，如果trial能整除任一個先前存儲的質(zhì)數(shù)，for循環(huán)就會結(jié)束。
如果沒有一個質(zhì)數(shù)除trial是整除，當(dāng)所有的質(zhì)數(shù)都試過后，就結(jié)束for循環(huán)，found的結(jié)果是把最后一個余數(shù)(它是某個正整數(shù))轉(zhuǎn)換為bool類型的值。如果trial能被某個質(zhì)數(shù)整除，循環(huán)會通過break語句結(jié)束，found會含有false。因此，可以在完成for循環(huán)時，使用存儲在found中的值確定是否找到一個新的質(zhì)數(shù)：
if(found) /* we got one - if found is true */
*(primes+count++) = trial; /* Store it and increment count */
如果found是true，就將trial的值存儲到內(nèi)存區(qū)的下一個位置上。下一個位置的地址是primes+count。第一個位置是primes，所以當(dāng)有count個質(zhì)數(shù)時，最后一個質(zhì)數(shù)所占的位置是primes+count-1。這個語句存儲了新的質(zhì)數(shù)后，遞增count的值。
while循環(huán)重復(fù)這個過程，直到找出所有的質(zhì)數(shù)為止。然后，以5個一行輸出質(zhì)數(shù)：
for(size_t i = 0 ; i < total ; i ++)
{
if(!(i%5U))
printf(""); /* Newline after every 5 */
printf ("%12lu", *(primes+i));
}
printf(""); /* Newline for any stragglers */
for循環(huán)會輸出total個質(zhì)數(shù)。printf()函數(shù)在當(dāng)前行上顯示每個質(zhì)數(shù)，但if語句在5次迭代后輸出一個換行符，所以每行顯示5個質(zhì)數(shù)。因為質(zhì)數(shù)的個數(shù)不會剛好是5的倍數(shù)，所以在結(jié)束循環(huán)后，輸出一個換行符，以確保在輸出的最后至少有一個換行符。
7.4.3 用calloc()函數(shù)分配內(nèi)存
在頭文件中聲明的calloc()函數(shù)與malloc()函數(shù)相比有兩個優(yōu)點。第一，它把內(nèi)存分配為給定大小的數(shù)組，第二，它初始化了所分配的內(nèi)存，所有的位都是0。calloc()函數(shù)需要兩個參數(shù)：數(shù)組的元素個數(shù)和數(shù)組元素占用的字節(jié)數(shù)，這兩個參數(shù)的類型都是size_t。該函數(shù)也不知道數(shù)組元素的類型，所以所分配區(qū)域的地址返回為void *類型。
下面的語句使用calloc()為包含75個int元素的數(shù)組分配內(nèi)存：
int *pNumber = (int *) calloc(75, sizeof(int));
如果不能分配所請求的內(nèi)存，返回值就是NULL，也可以檢查分配內(nèi)存的結(jié)果，這非常類似于malloc()，但calloc()分配的內(nèi)存區(qū)域都會初始化為0。
將程序7.11改為使用calloc()代替malloc()來分配需要的內(nèi)存，只需修改一條語句，如下面的粗體顯示，其他代碼不變：
/* Allocate sufficient memory to store the number of primes required */
primes = (unsigned long *)calloc(total, sizeof(unsigned long));
if (primes == NULL)
{
printf(" Not enough memory. Hasta la Vista, baby. ");
return 1;
}
7.4.4 釋放動態(tài)分配的內(nèi)存
在動態(tài)分配內(nèi)存時，應(yīng)總是在不需要該內(nèi)存時釋放它們。堆上分配的內(nèi)存會在程序結(jié)束時自動釋放，但最好在使用完這些內(nèi)存后立即釋放，甚至是在退出程序之前，也應(yīng)立即釋放。在比較復(fù)雜的情況下，很容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。當(dāng)動態(tài)分配了一些內(nèi)存時，沒有保留對它們的引用，就會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，此時無法釋放內(nèi)存。這常常發(fā)生在循環(huán)內(nèi)部，由于沒有釋放不再需要的內(nèi)存，程序會使用越來越多的內(nèi)存，最終占用所有內(nèi)存。
當(dāng)然，要釋放用malloc()或calloc()分配的內(nèi)存，必須使用函數(shù)返回的引用內(nèi)存塊的地址。要釋放動態(tài)分配的內(nèi)存，而該內(nèi)存的地址存儲在pNumber指針中，可以使用下面的語句：
free(pNumber);
free()函數(shù)的形參是void *類型，所有指針類型都可以自動轉(zhuǎn)換為這個類型，所以可以把任意類型的指針作為參數(shù)傳送給這個函數(shù)。只要pNumber包含分配內(nèi)存時malloc()或calloc()返回的地址，就會釋放所分配的整個內(nèi)存塊，以備以后使用。
如果給free()函數(shù)傳送一個空指針，該函數(shù)就什么也不做。應(yīng)避免兩次釋放相同的內(nèi)存區(qū)域，因為在這種情況下，free()函數(shù)的操作是不確定的，因此也就無法預(yù)料。如果多個指針變量引用已分配的內(nèi)存，就有可能兩次釋放相同的內(nèi)存，所以要特別小心。
下面修改前面的例子，使用calloc()，并在程序的最后釋放內(nèi)存。
試試看：釋放動態(tài)分配的內(nèi)存
這個程序使用指針和動態(tài)分配的內(nèi)存：
/* Program 7.11A Allocating and freeing memory */
#include
#include
#include
int main(void)
{
unsigned long *primes = NULL; /* Pointer to primes storage area */
unsigned long trial = 0; /* Integer to be tested */
bool found = false; /* Indicates when we find a prime */
size_t total = 0; /* Number of primes required */
size_t count = 0; /* Number of primes found */
printf("How many primes would you like - you'll get at least 4? ");
scanf("%u", &total); /* Total is how many we need to find */
total = total<4U ? 4U:total; /* Make sure it is at least 4 */
/* Allocate sufficient memory to store the number of primes required */
primes = (unsigned long *)calloc(total, sizeof(unsigned long));
if (primes == NULL)
{
printf(" Not enough memory. Hasta la Vista, baby. ");
return 1;
}
/* Code to determine the primes as before...*/
/* Display primes 5-up */
for(int i = 0 ; i < total ; i ++)
{
if(!(i%5U))
printf(" "); /* Newline after every 5 */
printf ("%12lu", *(primes+i));
}
printf(" "); /* Newline for any stragglers */
free(primes); /* Release the memory */
return 0;
}
如果輸入相同，這個程序的輸出與上一個版本相同。只要兩行粗體顯示的代碼與上一個版本不同。程序現(xiàn)在使用calloc()來分配內(nèi)存，該函數(shù)的第一個參數(shù)是long類型的字節(jié)數(shù)，第二個參數(shù)是total，即需要的質(zhì)數(shù)個數(shù)。在結(jié)束程序的return語句之前，用primes作為參數(shù)調(diào)用free()函數(shù)，釋放了分配的內(nèi)存。
7.4.5 重新分配內(nèi)存
realloc()函數(shù)可以重用前面通過malloc()或calloc() (或realloc())分配的內(nèi)存。函數(shù)需要兩個參數(shù)：一個是指針，它包含前面調(diào)用malloc()、calloc()或realloc()返回的地址，另一個是要分配的新內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。
realloc()函數(shù)釋放第一個指針參數(shù)引用的之前分配的內(nèi)存，然后重新分配該內(nèi)存區(qū)域，以滿足第二個參數(shù)指定的新請求。顯然，第二個參數(shù)的值不應(yīng)超過以前分配的字節(jié)數(shù)。否則，新分配的內(nèi)存將與以前分配的內(nèi)存區(qū)域大小相同。
下面的代碼演示了如何使用realloc()函數(shù)：
long *pData = NULL; /* Stores the data */
size_t count = 0; /* Number of data items */
size_t oldCount = 0; /* previous count value */
while(true)
{
oldCount = count; /* Save previous count value */
printf("How many values would you like? ");
scanf("%u", &count); /* Total is how many we need to find */if(count == 0) /* If none required, we are done */
{
if(!pData) /* If memory is allocated */
free(pData); /* release it */
break; /* Exit the loop */
}/* Allocate sufficient memory to store count values */
if((pData && (count <= oldCount) /* If there's big enough old memory... */
pData = (long *)realloc(pData, sizeof(long)*count); /* reallocate it. */
else
{ /* There wasn't enough old memory */
if(pData) /* If there's old memory... */
free(pData); /* release it. *//* Allocate a new block of memory */
pData = (long *)calloc(count, sizeof(long));
}
if (pData == NULL) /* If no memory was allocated... */
{
printf("Not enough memory.");
return 1; /* abandon ship! */
}
/* Read and process the data and output the result... */
}
很容易通過注釋理解這段代碼。循環(huán)讀取任意個由用戶提供的數(shù)據(jù)項，如果以前分配過內(nèi)存空間，且該空間足以滿足新請求，就再次使用該空間。如果以前沒有分配過內(nèi)存空間，或空間不夠大，代碼就使用calloc()分配一塊新內(nèi)存。
從這段代碼中可以看出，重新分配內(nèi)存需要做許多工作，因為一般需要確保已有的內(nèi)存塊足以滿足新請求。在大多數(shù)情況下，最好明確釋放舊內(nèi)存塊，再分配一塊全新的內(nèi)存。
下面是使用動態(tài)分配的內(nèi)存的基本規(guī)則：
●避免分配大量的小內(nèi)存塊。分配堆上的內(nèi)存有一些系統(tǒng)開銷，所以分配許多小的內(nèi)存塊比分配幾個大內(nèi)存塊的系統(tǒng)開銷大。
●僅在需要時分配內(nèi)存。只要使用完堆上的內(nèi)存塊，就釋放它。
●總是確保釋放已分配的內(nèi)存。在編寫分配內(nèi)存的代碼時，就要確定在代碼的什么地方釋放內(nèi)存。
●在釋放內(nèi)存之前，確保不會無意中覆蓋堆上分配的內(nèi)存的地址，否則程序就會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。在循環(huán)中分配內(nèi)存時，要特別小心。
