malloc函數(shù)和free函數(shù)

假設(shè)您的程序在執(zhí)行過程中需要分配一定量的內(nèi)存。您可以隨時(shí)調(diào)用malloc函數(shù)從堆中申請(qǐng)一塊內(nèi)存。在操作系統(tǒng)為您的程序預(yù)留出這塊內(nèi)存，之后您就可以隨意使用它了。用完之后，要使用free函數(shù)將這塊內(nèi)存返回給操作系統(tǒng)進(jìn)行回收。以后其他程序還可以按自己的需要預(yù)留這塊內(nèi)存。

作為例子，下面的代碼演示了最簡(jiǎn)單的使用堆的方法：

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int main()
{int *p;p = (int *)malloc(sizeof(int));if (p==0)
{printf("錯(cuò)誤：內(nèi)存不足n");return 1;
}*p=5;printf("&dn", *p);free(p);return 0;}

程序的開始調(diào)用了malloc函數(shù)，這個(gè)函數(shù)做了三件事：

1. malloc語句首先檢查堆上的空閑內(nèi)存總數(shù)，然后判斷：“有沒有足夠的空閑內(nèi)存可以分配一個(gè)所申請(qǐng)的大小的內(nèi)存塊呢？”申請(qǐng)的內(nèi)存塊大小是由傳入malloc的參數(shù)確定的——本例中的sizeof(int)是4個(gè)字節(jié)。若內(nèi)存不足，malloc函數(shù)會(huì)返回零地址告知發(fā)生的錯(cuò)誤（零地址的另一種表示是NULL，它在C代碼中很常用）。否則malloc函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。
2. 若堆上有足夠的內(nèi)存，系統(tǒng)就從堆上“分配”或“預(yù)留”出指定大小的內(nèi)存塊。預(yù)留的目的是為了防止多個(gè)malloc語句恰巧使用同一個(gè)內(nèi)存塊。
3. 接下來系統(tǒng)將預(yù)留出的內(nèi)存塊的地址保存到指針變量中（本例中就是p）。指針變量本身保存了一個(gè)地址。被分配的內(nèi)存塊能夠存儲(chǔ)一個(gè)指定類型的數(shù)值，而指針正是指向此數(shù)值。

下圖顯示了調(diào)用malloc之后的內(nèi)存狀態(tài)：

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接著程序用if (p==0)檢查指針p以確定分配申請(qǐng)成功（此行也可寫成if (p==NULL)甚至if (!p)）。如果分配失敗（p等于零），則程序終止，否則程序?qū)⒎峙涞膬?nèi)存塊初始化為5，然后打印內(nèi)存塊的值，接著調(diào)用free函數(shù)將內(nèi)存塊返還給堆，最后退出。

前面的章節(jié)有一段代碼是將p賦值為一個(gè)現(xiàn)成整數(shù)i的地址，而本例中的代碼和那段代碼實(shí)際上并無不同。區(qū)別只是在于：對(duì)于變量i的內(nèi)存，它是程序預(yù)分配內(nèi)存空間的一部分，有兩個(gè)名字i和*p；而對(duì)于從堆上分配的內(nèi)存，它只有一個(gè)名字*p，且是在程序運(yùn)行中分配的。兩個(gè)常見的問題是：

• 每次分配內(nèi)存后都要檢查指針的值是否為零，這真的很重要嗎？是的。因?yàn)槎训拇笮∪Q于當(dāng)前正在運(yùn)行哪些程序、它們分配了多少內(nèi)存等諸多因素，所以一直都在變化，不能保證調(diào)用malloc總是成功的。每次調(diào)用malloc以后，您都應(yīng)該檢查一下指針以確保其有效性。
• 如果程序結(jié)束前我忘記了釋放分配的內(nèi)存塊會(huì)怎樣呢？程序結(jié)束以后，操作系統(tǒng)會(huì)做“善后處理”：釋放可執(zhí)行代碼、棧、全局變量和所有從堆上分配的內(nèi)存空間以供回收利用。因此，對(duì)分配的內(nèi)存置之不理，在程序結(jié)束以后是不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成持續(xù)影響的。但是這種做法會(huì)被認(rèn)為是“不良的風(fēng)格”，且程序運(yùn)行中的“內(nèi)存泄漏”是有害的。這一點(diǎn)下文還會(huì)講到。

下面兩段程序顯示了兩種不同的使用指針的正確方法，旨在區(qū)分指針和指針的值在使用上的區(qū)別：

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void main()
{int*p, *q;p=(int *)malloc(sizeof(int));q=p;*p=10;printf("%dn", *q);*q=20;
printf("%dn", *q);}

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此程序的最后輸出結(jié)果是代碼第4行打印的10和代碼第6行打印的20。下面是一個(gè)內(nèi)存狀態(tài)示意圖：

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下面這個(gè)程序稍有不同：

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void main()
{int *p, *q;p=(int *)malloc(sizeof(int));q=(int *)malloc(sizeof(int));
*p=10;*q=20;*p=*q;printf("%dn", *p);}

此程序的最后輸出結(jié)果是代碼第6行打印的20。下面是它的內(nèi)存狀態(tài)示意圖：

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注意，編譯器會(huì)接受*p=*q，因?yàn)?p和*q都是整數(shù)。這條語句的意思是說：“將q指向的整數(shù)傳送到p指向的整數(shù)中去。”被傳送的是數(shù)值。編譯器也會(huì)接受p=q，因?yàn)閜和q都是指針且指向相同的類型（若s為指向字符的指針則p=s是不允許的，因?yàn)樗鼈冎赶虿煌愋停=q這條語句的意思是說：“將p指向和q相同的內(nèi)存位置。”換句話說，q指向的地址被傳送到了p，因此兩個(gè)指針指向相同的地址。被傳送的是地址。

從這些例子可以知道，初始化指針的方式有四種。在程序中聲明一個(gè)指針時(shí)（如int *p），它開始處于未初始化狀態(tài)。它可能指向任何位置，因此對(duì)它的解引用（取出指針指向的地址中的內(nèi)容）是錯(cuò)誤的。初始化指針就是將其指向一個(gè)已知的內(nèi)存地址。

1. 第一種方式是例子中使用的malloc語句。此語句從堆上分配一塊內(nèi)存并將指針指向它。這樣指針便完成了初始化，因?yàn)樗F(xiàn)在保存了一個(gè)有效地址，即新分配的內(nèi)存塊的地址。

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2. 第二種方式，也是剛才用到的，是用p=q這樣的語句使p指向和q相同的位置。若q已經(jīng)指向有效地址，則p完成初始化。指針p將保存q已經(jīng)保存的有效地址。但若q未初始化或無效，則這個(gè)無價(jià)值的地址也會(huì)傳給 p。

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3. 第三種方式是將指針指向已知地址，如一個(gè)全局變量的地址。例如，若i是一個(gè)整數(shù)且p是一個(gè)整型指針，則語句p=&i初始化p為指向i。

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4. 第四種方式是將指針初始化為零。在使用指針時(shí)零是一個(gè)特殊值，如下所示：

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   p=0;
   

   ?

   或：

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   p=NULL;
   

   ?

   此語句完成的操作是將零賦給p。指針p指向的地址為零。一般用下面的示意圖表示這種情況：

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   ?

任何指針都可設(shè)為指向零地址。雖然p指向零地址，但是它卻不指向任何真正的內(nèi)存塊。此指針保存的零值只是一個(gè)標(biāo)志。可以像下面語句這樣使用它：

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if (p==0)
{...}

或： 

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while (p!=0){...}

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系統(tǒng)會(huì)識(shí)別零值，如果您無意中解引用一個(gè)零指針，系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)。例如下列代碼：

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p=0;*p=5;

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程序一般會(huì)崩潰。指針p不指向內(nèi)存塊而是零地址，所以不能為*p賦值。后面我們講到鏈表時(shí)，零指針將被作為一個(gè)標(biāo)志使用。

malloc命令用于分配一個(gè)內(nèi)存塊。當(dāng)此內(nèi)存塊不再需要時(shí)還可以將其釋放。釋放的內(nèi)存塊可以被后來的malloc語句重新分配，這樣系統(tǒng)就可以回收內(nèi)存。釋放內(nèi)存的命令叫做free，它接受一個(gè)指針作為參數(shù)。free命令完成兩件事情：

1. 不再預(yù)留指針指向的內(nèi)存塊，而是將其返還到堆上的空閑內(nèi)存區(qū)。此內(nèi)存塊可以被隨后的語句重新使用。
2. 指針被置為未初始化的狀態(tài)，再次使用前必須重新初始化。

free語句只是將指針還原為未初始化狀態(tài)并使內(nèi)存塊在堆上重新變成可用狀態(tài)。

下例顯示了如何使用堆。它分配了一塊整數(shù)內(nèi)存，寫入數(shù)據(jù)然后輸出，最后廢除此內(nèi)存塊：

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#include 

int main()
{int *p;p=(int *)malloc (sizeof(int));*p=10;printf("%dn",*p);free(p);return 0;}

此代碼其實(shí)只適用于在C中演示分配、使用和釋放內(nèi)存塊的過程。malloc用于分配一塊指定大小的內(nèi)存，本例中是sizeof(int)字節(jié)（4字節(jié)）。C語言的sizeof命令以字節(jié)為單位返回任何類型的大小。代碼中完全可以寫成malloc(4)，因?yàn)樵诖蟛糠謾C(jī)器上sizeof(int)等于4個(gè)字節(jié)。但是使用sizeof可以大大增強(qiáng)代碼的可移植性和可讀性。

malloc函數(shù)返回一個(gè)指向被分配內(nèi)存塊的指針。這是一個(gè)通用指針，若不經(jīng)類型轉(zhuǎn)換即使用一般會(huì)導(dǎo)致編譯器發(fā)出類型警告。類型轉(zhuǎn)換(int *)將malloc返回的通用指針轉(zhuǎn)換為一個(gè)“指向整數(shù)的指針”，即與p一致。C中的free語句將內(nèi)存塊返還給堆以供重新使用。

第二個(gè)例子說明的函數(shù)和前一例相同，但是用結(jié)構(gòu)體代替了整數(shù)。C代碼如下：

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#include 

struct rec
{int i;float f;char c;};

int main()
{struct rec *p;p=(struct rec *) malloc (sizeof(struct rec));(*p).i=10;
(*p).f=3.14;
(*p).c='a';
printf("%d %f %cn",(*p).i,(*p).f,(*p).c);
free(p);
return 0;}

請(qǐng)注意這行：

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(*p).i=10;

很多人不明白為什么不能寫成：

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*p.i=10;

答案是這和C語言的操作符優(yōu)先級(jí)有關(guān)。5+3*4的結(jié)果是17，不是32，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)語言中*比+有更高的優(yōu)先級(jí)。C語言中，操作符.比*有更高的優(yōu)先級(jí)，所以要使用括號(hào)保持正確的操作順序。

但是大部分人覺得總是輸入(*p).i太麻煩了，因此C提供了一種簡(jiǎn)潔記法。下面的兩條語句完全等效，而第二條的輸入更加簡(jiǎn)便：

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(*p).i=10;
p->i=10;

閱讀別人代碼的時(shí)候，您會(huì)發(fā)現(xiàn)第二種記法比第一種更常用。