存储分配与回收

动态存储分配

内存分配函数

为了动态分配存储空间，需要调用三种分配函数中的一种，这些函数都是声明在 <stdlib.h> 头中。

• malloc 函数：分配内存块，但是不对内存块进行初始化；
• calloc 函数：分配内存块，并且对内存块清零；
• realloc 函数：调用先前分配的内存块大小。

三种函数中，malloc 函数是最常用的一种, 因为 malloc 函数不需要对分配的内存块清零，所以比 calloc 更高效。

当为申请内存块而调用内存分配函数时，由于函数无法知道存储在内存块中的数据是什么类型的，所以无法返回 int 类型、char 类型等普通类型的指针。函数会返回 void * 类型的指针，void * 类型指针是通用指针，本质上只是内存地址。

空指针

当调用内存分配函数的时候，有时会找不到满足需要的足够大的内存块，对于此类问题，函数会返回空指针(null pointer)。空指针指不指向任何地方的指针。

空指针用名为 NULL 的宏来定义，在 <locale.h>、<stedef.h>、<stdio.h>、<stdlib.h>、<string.h> 和 <time.h> 中有定义。可以用以下方式测试 malloc 函数的返回值：

p = malloc(1000);
if (p == NULL) {
    ...
}

动态分配字符串

因为 C 语言保证 char 类型值需要一个字节内存，所以给 n 个字节长的字符串分配内存可以使用 malloc 完成:

p = malloc(n + 1);

其中 p 为 char * 类型变量，参数 n+1 表示给空字符预留空间。

malloc 函数的原型为:

void *malloc(size_t size);

由于使用 malloc 分配的内存不需要清零或者进行任何初始化，所以 p 指向带有 n+1 个字符的未初始化的字符数组。如需对数组进行初始化，可调用 strcpy 函数:

strcpy(p, "abc");

初始化后，数组中前四个字符分别为 a、b、c、\0；

动态分配数组

使用 malloc 函数动态分配数组

与动态分配字符串类似，也可以使用 malloc 函数动态分配数组。区别在于字符串中固定了一个字符占用一个字节长度，数组元素需要通过 sizeof 运算符计算具体的长度。 例如，分配 n 个整数构成的数组：

int *a;
a = malloc(n * sizeof(int));

需要注意，计算数组空间时始终需要 sizeof 运算符。

calloc 函数

calloc 函数的原型为:

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

calloc 函数为 nmemb 个元素的数组分配内存空间，其中每个元素的长度为 size 个字节，如果请求空间无效，返回空指针。在分配内存之后，calloc 会通过把所有位设置为 0 的方式进行初始化。

例如：下面的calloc 函数为 n 个整数的数组分配存储空间，并且保证所有整数初始值均为零:

a = calloc(n, sizeof(int));

calloc 函数有时也可用于为不同于数组的对象分配内存，通过调用 1 为第一个实参的 calloc 函数，可以为任何类型的数据项分配内存空间：

struct point {int x, y;} *p;
p = calloc(1, sizeof(struct point));

上述语句中 p 指向一个结构，此结构成员 x、y 都会被清零。

realloc 函数

realloc 函数可以用于调整数组大小。函数原型定义在 <stdlib.h> 中:

void *realloc(void *ptr, size_t size);

当调用 realloc 函数时，ptr 必须指向先前通过 malloc、calloc 或 realloc 函数调用获得的内存块。size 表示内存块的新尺寸，新尺寸可能会大于或小于原有尺寸。

C 标准列出了几条关于 realloc 函数的原则:

• 当扩展内存块是，realloc 函数不会对扩展进内存块的字节进行初始化；
• 如果 realloc 函数不能按要求扩大内存块，那么它会返回空指针，并且在原有内存块中的数据不会改变；
• 如果 realloc 函数被调用时以空指针作为第一个参数，那么它的行为就和 malloc 函数一样；
• 如果 realloc 函数被调用时以 0 作为第二个参数，那么它会释放掉内存块；

释放内存空间

malloc 函数和其他内存分配函数所获得的内存块来自于堆，过于频繁的调用有可能耗尽堆而导致函数返回空指针。另外，程序有可能分配了内存，然后又丢失了块记录，导致空间浪费，例如：

p = malloc(...);
q = malloc(...);
p = q;

上述前两条语句，p 和 q 分别指向一个内存块，第三条语句使得 p 和 q 指向同一个内存块，会造成原有的一个内存块再也无法被使用。对程序而言，不可再访问到的内存块被称为垃圾，留有垃圾的程序被称为存在内存泄漏。

free 函数

free 函数原型定义在 <stdlib.h> 中:

void free(void *ptr);

使用 free 函数只需把不再使用的内存块指针传递给函数，释放后的内存块可被 malloc 函数或其他内存分配函数重新使用。

需注意，free 函数的参数必须是之前由内存分配函数返回的指针。

悬空指针

free 函数可以释放不再使用的内存，但是会带来悬空指针问题。例如：

char *p = malloc(4);
...
free(p);
...
strcpy(p, "abc");

调用 free(p) 释放 p 指向的内存块，但是不会改变 p 本身，这时如果忘记了 p 不再指向有效的内存块，就会引起错误。

声明

通常声明的格式为: 声明说明符 声明符;

声明说明符包括：

1. 存储类型: 包含 auto、static、extern、register 四种，在声明说明符中最多可以出现一种；
2. 类型限定符: 包含 const、volatile、restrict(C99)三种，声明中可以包含多个类型限定符；
3. 类型说明符: 关键字 void、char、short、int、long、float、double、signed、unsigned等，以及结构、联合、枚举的声明和 typedef 创建的类型名都是类型说明符，可以组合使用。
4. 函数说明符: C99中引入，只有一个 inline。

上述说明符中，存储类型必须放在第一个，类型限定符和类型说明符跟在存储类型后面，对顺序没有强制要求，通常情况下将类型限定符放在类型说明符前面，即:

存储类型 -- 类型限定符 -- 类型说明符

例如：

extern const unsigned long int a[10];  

存储类型

存储类型可用于变量及较小范围的函数和形式参数的说明。

变量的性质

C 程序中的每个变量具有以下 3 个性质：

1. 存储期限：决定了为变量预留和内存被释放的时间。具有自动存储期限的变量在所属块被执行时获得内存单元，并在块终止时释放内存单元；具有静态存储期限的变量在程序运行期间一直占有同一个存储单元，允许变量无限期保留它的值。
2. 作用域：指可以引用变量的程序文本范围。块作用域的变量从声明的地方一直到所在块的末尾都是可见的，文件作用域的变量从声明的地方一直到所在文件的末尾都是可见的。
3. 链接：确定了程序不同部分可以共享变量的范围。具有外部链接的变量可以被程序中几个文件共享；具有内部链接的变量只能属于单独一个文件，但此文件中的函数可以共享变量；无链接变量不能被共享，只能属于某个函数。

变量的默认存储期限、作用域和链接依赖于变量声明的位置：

• 在块(包括函数体)内部声明的变量具有自动存储期限、块作用域，并且无链接；
• 在程序最外层声明的变量具有静态存储期限、文件作用域和外部链接。

例如：

int i;  // 静态存储期限、文件作用域、外部链接
void f(void) {
    int j;  // 自动存储期限、块作用域、无链接
}

auto 存储类型

auto 存储类型只对属于块的变量有效。

auto 存储类型具有自动存储期限、块作用域、无链接，对于在块内部声明的变量是默认的，通常不需要明确指明。

static 存储类型

static 存储类型可用于全部变量。

在块外部，单词 static 说明变量具有内部链接；在块内部，static 把变量的存储期限从自动变成了静态。例如：

static int i; // 静态存储期限、文件作用域、内部链接
void f(void) {
    static int j; // 静态存储期限、块作用域、无链接
}

函数的存储类型

函数的存储类型只可为 extern 或者 static。当函数存储类型为 extern 时，表示函数具有外部链接，允许其他文件调用此函数；当函数存储类型为 static 时，说明是内部链接，只能在定义函数的内部调用此函数。如果不指明函数的存储类型，那么会假设存储类型为外部链接。例如：

extern int f(int i);    // 外部链接
static int g(int i);    // 内部链接
int h(int i);           // 外部链接

函数的形参具有和 auto 变量相同的性质：自动存储期限、块作用域、无链接。唯一能作用于形参的存储类型是 register。

小结

int a;
extern int b;
static int c;

void f(int d, register int e) {
    auto int g;
    int h;
    static int i;
    extern int j;
    register int k;
}

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