内存分配

在上一篇文章我们分析了C语言中的五种存储类(Storage Class)，其实五种不同的存储类(Storage Class) 就代表着C语言中五种不同的内存管理规则，除了这五种"内置"的内存管理规则，C语言还允许由程序员来管理内存，而不是采用这种预先规定好的内存规则，这给程序员带来了很大的自由度，使得程序员能够直接操纵内存的分配和管理。

但是C语言中的这种高度自由也有着隐患，一旦程序员在内存管理上出现了问题，那么整个程序就会出现问题，所以在对内存进行管理的时候，要尤其小心。

通常情况下，每当定义一个变量(只可能是五种存储类中的一种)，系统就会为这个变量分配内存空间，同时用这个变量名来标识内存中的数据，这个变量所占用的空间是由系统来维护的，你不需要在意它是否被回收(事实上它一定会在某个时间点被回收)。

除了上述由系统维护的内存，C语言还可以直接申请和管理内存，主要是通过malloc和free库函数来完成的。

malloc函数

malloc函数的原型为:

:::c
void *malloc(long NumBytes);

malloc函数的参数NumBytes指明了向系统请求的内存字节数，malloc函数接受参数之后，会自动在内存中寻找一块满足申请大小的连续区域块，但是由于并没有一个变量来标识这块内存块，因此malloc找到合适的内存块之后，就会返回这块内存块的起始地址，也即第一个字节的地址。因此，需要一个指针类型的变量来接受(存储)这个内存块的起始地址。

在上述的函数原型中，可以看到，malloc函数返回值的类型是一个void类型的指针，这是因为C语言它并不知道申请的这片内存将会用来做什么，它不能确定其类型信息，而void类型的指针¹可以通过强制类型转换将其转成任意类型的指针，这就能够避免不必要的类型转换问题了。

通常在实际使用的时候，都会显示地对void指针进行类型转换，以增加程序的可读性，如下所示：

:::c
double * ptd;
ptd = (double *)malloc(30 * sizeof(double))

上述代码中的强制类型转换(double *)在C语言中并不是必须的，但是在C++ 中却是必须的，因此使用显式的强制类型转换，既可以增加程序的可读性，还使得程序移植到C++ 更容易。

如果malloc没有找到合适的内存块，则将会返回一个空指针。

需要注意的是，由malloc分配的内存空间是不遵循之前分析的五种存储类(Storage Class)的内存管理规则的，一旦通过malloc分配得到了内存空间，这段内存空间除非通过free函数进行释放，否则这段内存空间将会一直被占用。但是，用来存储这段内存空间的首地址的指针却是一个普通的变量，这个指针变量必定属于五种存储类(Storage Class)中的一种，因此如果在函数内部使用malloc函数分配得到了一片内存空间，它的首地址存放在指针变量ptd中，此时，如果程序员忘记在函数结束前用free函数释放这一段内存空间且ptd是属于的自动存储类的话，那么函数一旦结束，ptd变量也就消失了，但是之前申请的那段内存空间还是存在的，一直处于被占用的状态，而ptd变量存储的是那块内存空间的首地址，因此ptd一旦消失，我们就"丢失"了那段内存空间，虽然它一直存在，但是我们永远不能访问到它了，因为我们已经丢失了这段内存的首地址。这就是所谓的内存泄露。

free函数

一般来说，对应于每个malloc函数的调用，都应该调用一次free函数来将其占用的内存空间释放掉。

free函数的原型为:

:::c
void free(void *FirstByte)

free接受一个指针参数，这个指针指向了需要被释放的内存空间的首地址。

需要注意的是，free函数释放的是参数指针指向的内存空间而不是指针变量本身，因此，调用了free函数之后，原来的指针还是指向着原来的内存空间的首地址，但此时内存中的数据是未定义的，是垃圾数据，因此，在实践中一个比较好的习惯是，将已经被释放了空间的指针赋值为NULL，防止引用到错误的内存空间。

calloc函数

calloc函数也是用来申请内存空间的，函数原型为：

:::c
void *calloc(unsigned n, unsigned size);

它的功能几乎和malloc函数一样，但是细节部分有所不同:它接受两个参数n和size，分别代表所需要内存单元的数目和每个单元以字节计的大小。另外它和malloc还有一个区别是，calloc会自动为申请的内存空间自动填充为0，而malloc不会，malloc申请得到的内存空间中都是一些垃圾数据。

总结

之前分析过的五种存储类(Storage Class)再加上我们今天分析的malloc函数，也许有人会被搞糊涂了，这里我们总结一下C语言中的内存模型，我们可以将程序的可用内存分成三个独立的部分:

1. 具有静态存储时期的变量空间，所有具有静态存储时期的变量都属于这部分空间，这些变量从定义开始就一直存在，直到程序结束。
2. 自动变量存在的变量空间(栈空间)，栈空间中的变量都是定义在代码块中的，当代码块结束时，变量也就被清除。C语言是用一个栈结构来管理这些变量，所以当消除自动变量时，是按照定义这些变量的顺序的反序进行的。
3. 动态分配的内存空间(堆空间)，堆空间是提供给malloc函数使用的，所有通过malloc获得的内存空间都是来自这一部分，只有当调用free函数时，这部分内存才会被释放，否则将会一直存在。

尽管malloc和free函数给程序员在内存管理上带来的极大的便利，但它还是存在隐患的，这里的隐患并不是指之前提到的内存泄露，内存泄露是由于程序员的粗心大意才导致的，是程序上的错误，但是我这里想说的隐患其实是程序员无法控制的。这个隐患就是，当大量使用malloc和free函数之后，堆内存空间中会产生大量碎片区域，当你下一次申请的内存空间大小大于每一个碎片的大小，但是又小于这些碎片的总和时，即使内存中总的空闲空间是足够的，但是你并不能获得这些空间，因为这些空间是呈碎片状分布在内存中的，这就造成了内存空间的极大浪费。

解决内存碎片的技巧有很多，但是都不能完全解决这个问题，只能在很大程度上缓解这个问题。比较常用的方式是，在程序一开始就申请一块很大的空间，这个空间称为内存池，之后程序中所有需要的内存空间都从这个内存池中获取，这就在很大程度上避免了多次的malloc和free，这也使得内存碎片出现的概率降低了。但是这种技巧需要很强的内存操纵经验，一不小心就会出现内存错误。

参考资料

• 《C Primer Plus》

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