C语言：分配内存malloc()和free()

malloc()函数

C可以在程序运行时分配更多的内存，主要通过malloc()函数，该函数接受一个参数：所需的内存字节数。

malloc()函数会找到合适的空闲内存块，这样的内存是匿名的。也就是说，malloc()分配内存，但是不会为其赋名。然而，它确实返回动态分配内存块的首字节地址。因此，可以把该地址赋给一个指针变量，并使用指针访问这块内存。因为char表示1字节，malloc()的返回类型通常被定义为指向char的指针。

然而，从ANSI C标准开始，C使用一个新的类型：指向void的指针。该类型相当于一个“通用指针”。

malloc()函数可用于返回指向数组的指针、指向结构的指针等，所以通常该函数的返回值会被强制转换为匹配的类型。

如果malloc()分配内存失败，将返回空指针。

我们试着用malloc()创建一个数组。除了用malloc()在程序运行时请求一块内存，还需要一个指针记录这块内存的位置。例如，考虑下面的代码：

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

注意，指针ptd被声明为指向一个double类型，而不是指向内含30个double类型值的块。回忆一下，数组名是该数组首元素的地址。因此，如果让ptd指向这个块的首元素，便可像使用数组名一样使用它。也就是说，可以使用表达式ptd[0]访问该块的首元素，ptd[1]访问第2个元素，以此类推。

现在，我们有3种创建数组的方法：

• 声明数组时，用常量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元素。可以用静态内存或自动内存创建这种数组。
• 声明变长数组（C99新增的特性）时，用变量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元素。具有这种特性的数组只能在自动内存中创建。
• 声明一个指针，调用malloc()，将其返回值赋给指针，使用指针访问数组的元素。该指针可以是静态的或自动的。

使用第2种和第3种方法可以创建动态数组（dynamic array））。这种数组和普通数组不同，可以在程序运行时选择数组的大小和分配内存。

在C99之前，不能这样做：

double item[n]; /* C99之前：n不允许是变量 */

但是，可以这样做，这比变长数组更灵活。

ptd = (double *) malloc(n * sizeof(double)); /* 可以 */

free()函数

通常，malloc()要与free()配套使用。

free()函数的参数是之前malloc()返回的地址，该函数释放之前malloc()分配的内存。因此，动态分配内存的存储期从调用malloc()分配内存到调用free()释放内存为止。

设想malloc()和free()管理着一个内存池。每次调用malloc()分配内存给程序使用，每次调用free()把内存归还内存池中，这样便可重复使用这些内存。

不能用free()释放通过其他方式（如，声明一个数组）分配的内存。

malloc()和free()的原型都在stdlib.h头文件中。

free不能释放同一块内存两次。

下面是malloc的使用例子：

/* dyn_arr.c -- 动态分配数组 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> /* 为 malloc()、free()提供原型 */

int main(void)
{
    double * ptd;
    int max;
    int number;
    int i = 0;

    puts("What is the maximum number of type double entries?");
    if (scanf("%d", &max) != 1) {
        puts("Number not correctly entered -- bye.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    ptd = (double *) malloc(max * sizeof(double));
    if (ptd == NULL) {
        puts("Memory allocation failed. Goodbye.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    /* ptd 现在指向有max个元素的数组 */
    puts("Enter the values (q to quit):");
    while (i < max && scanf("%lf", &ptd[i]) == 1){
        ++i;
    }


    printf("Here are your %d entries:\n", number = i);
    for (i = 0; i < number; i++) {
        printf("%7.2f ", ptd[i]);
        if (i % 7 == 6)
            putchar('\n');
    }
    if (i % 7 != 0)
        putchar('\n');
    puts("Done.");
    free(ptd);

    return 0;
}

输出结果如下：

注意，free()函数位于程序的末尾，它释放了malloc()函数分配的内存。free()函数只释放其参数指向的内存块。一些操作系统在程序结束时会自动释放动态分配的内存，但是有些系统不会。为保险起见，请使用free()，不要依赖操作系统来清理。

在函数末尾处调用free()可避免内存泄露的问题发生。

calloc()函数

分配内存还可以使用calloc()，典型的用法如下：

long * newmem;
newmem = (long *)calloc(100, sizeof (long));

和malloc()类似，在ANSI之前，calloc()也返回指向char的指针；在ANSI之后，返回指向void的指针。如果要存储不同的类型，应使用强制类型转换运算符。

calloc()函数接受两个无符号整数作为参数（ANSI规定是size_t类型）。第1个参数是所需的存储单元数量，第2个参数是存储单元的大小（以字节为单位）。在该例中，long为4字节，所以，前面的代码创建了100个4字节的存储单元，总共400字节。

calloc()函数还有一个特性：它把块中的所有位都设置为0（注意，在某些硬件系统中，不是把所有位都设置为0来表示浮点值0）。

free()函数也可用于释放calloc()分配的内存。

存储类别和动态内存分配

存储类别和动态内存分配有何联系？我们来看一个理想化模型。可以认为程序把它可用的内存分为 3部分：一部分供具有外部链接、内部链接和无链接的静态变量使用；一部分供自动变量使用；一部分供动态内存分配。

静态存储类别所用的内存数量在编译时确定，只要程序还在运行，就可访问存储在该部分的数据。该类别的变量在程序开始执行时被创建，在程序结束时被销毁。

然而，自动存储类别的变量在程序进入变量定义所在块时存在，在程序离开块时消失。因此，随着程序调用函数和函数结束，自动变量所用的内存数量也相应地增加和减少。这部分的内存通常作为栈来处理，这意味着新创建的变量按顺序加入内存，然后以相反的顺序销毁。

动态分配的内存在调用malloc()或相关函数时存在，在调用free()后释放。这部分的内存由程序员管理，而不是一套规则。所以内存块可以在一个函数中创建，在另一个函数中销毁。正是因为这样，这部分的内存用于动态内存分配会支离破碎。也就是说，未使用的内存块分散在已使用的内存块之间。另外，使用动态内存通常比使用栈内存慢。

总而言之，程序把静态对象、自动对象和动态分配的对象存储在不同的区域。