作者 謝恩銘，公眾號「程序員聯(lián)盟」（微信號：coderhub）。
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原文：http://www.lxweimin.com/p/bbce8f04faf1
《C語言探索之旅》全系列
內(nèi)容簡介
- 前言
- 變量的大小
- 內(nèi)存的動態(tài)分配
- 動態(tài)分配一個數(shù)組
- 總結(jié)
- 第二部分第九課預(yù)告
1. 前言
上一課是 C語言探索之旅 | 第二部分第七課：文件讀寫 。
經(jīng)歷了第二部分的一些難點課程，我們終于來到了這一課，一個聽起來有點酷酷的名字：動態(tài)分配。
“萬水千山總是情，分配也由系統(tǒng)定”。
到目前為止，我們創(chuàng)建的變量都是系統(tǒng)的編譯器為我們自動構(gòu)建的，這是簡單的方式。
其實還有一種更偏手動的創(chuàng)建變量的方式，我們稱為“動態(tài)分配”（Dynamic Allocation）。dynamic 表示“動態(tài)的”，allocation 表示“分配”。
動態(tài)分配的一個主要好處就是可以在內(nèi)存中“預(yù)置”一定空間大小，在編譯時還不知道到底會用多少。
使用這個技術(shù)，我們可以創(chuàng)建大小可變的數(shù)組。到目前為止我們所創(chuàng)建的數(shù)組都是大小固定不可變的。而學(xué)完這一課后我們就會創(chuàng)建所謂“動態(tài)數(shù)組”了。
學(xué)習(xí)這一章需要對指針有一定了解，如果指針的概念你還沒掌握好，可以回去復(fù)習(xí) C語言探索之旅 | 第二部分第二課：進(jìn)擊的指針，C語言的王牌！ 那一課。
我們知道當(dāng)我們創(chuàng)建一個變量時，在內(nèi)存中要為其分配一定大小的空間。例如：
int number = 2;
當(dāng)程序運行到這一行代碼時，會發(fā)生幾件事情：
應(yīng)用程序詢問操作系統(tǒng)（Operating System，簡稱 OS。例如Windows，Linux，macOS，Android，iOS，等）是否可以使用一小塊內(nèi)存空間。
操作系統(tǒng)回復(fù)我們的程序，告訴它可以將這個變量存儲在內(nèi)存中哪個地方（給出分配的內(nèi)存地址）。
當(dāng)函數(shù)結(jié)束后，你的變量會自動從內(nèi)存中被刪除。你的程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)說：“我已經(jīng)不需要內(nèi)存中的這塊地址了，謝謝！” （當(dāng)然，實際上你的程序不可能對操作系統(tǒng)說一聲“謝謝”，但是確實是操作系統(tǒng)在掌管一切，包括內(nèi)存，所以對它還是客氣一點比較好...）。
可以看到，以上的過程都是自動的。當(dāng)我們創(chuàng)建一個變量，操作系統(tǒng)就會自動被程序這樣調(diào)用。
那么什么是手動的方式呢？說實在的，沒人喜歡把事情復(fù)雜化，如果自動方式可行，何必要大費周章來使用什么手動方式呢？但是要知道，很多時候我們是不得不使用手動方式。
這一課中，我們將會：
探究內(nèi)存的機制（是的，雖然以前的課研究過，但是還是要繼續(xù)深入），了解不同變量類型所占用的內(nèi)存大小。
接著，探究這一課的主題，來學(xué)習(xí)如何向操作系統(tǒng)動態(tài)請求內(nèi)存。也就是所謂的“動態(tài)內(nèi)存分配”。
最后，通過學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建一個在編譯時還不知道其大小（只有在程序運行時才知道）的數(shù)組來了解動態(tài)內(nèi)存分配的好處。
準(zhǔn)備好了嗎？Let's Go !
2. 變量的大小
根據(jù)我們所要創(chuàng)建的變量的類型（char，int，double，等等），其所占的內(nèi)存空間大小是不一樣的。
事實上，為了存儲一個大小在 -128 至 127 之間的數(shù)（char 類型），只需要占用一個字節(jié)（8 個二進(jìn)制位）的內(nèi)存空間，是很小的。
然而，一個 int 類型的變量就要占據(jù) 4 個字節(jié)了；一個 double 類型要占據(jù) 8 個字節(jié)。
問題是：并不總是這樣。
什么意思呢？
因為類型所占內(nèi)存的大小還與操作系統(tǒng)有關(guān)系。不同的操作系統(tǒng)可能就不一樣，32 位和 64 位的操作系統(tǒng)的類型大小一般會有區(qū)別。
這一節(jié)中我們的目的是學(xué)習(xí)如何獲知變量所占用的內(nèi)存大小。
有一個很簡單的方法：使用 sizeof()。
雖然看著有點像函數(shù)，但其實 sizeof 不是一個函數(shù)，而是一個 C語言的關(guān)鍵字，也算是一個運算符吧。
我們只需要在 sizeof 的括號里填入想要檢測的變量類型，sizeof 就會返回所占用的字節(jié)數(shù)了。
例如，我們要檢測 int 類型的大小，就可以這樣寫：
sizeof(int)
在編譯時，sizeof(int) 就會被替換為 int 類型所占用的字節(jié)數(shù)了。
在我的電腦上，sizeof(int) 是 4，也就是說 int 類型在我的電腦的內(nèi)存中占據(jù) 4 個字節(jié)。在你的電腦上，也許是 4，但也可能是其他的值。
我們用一個例子來測試一下吧：
// octet 是英語“字節(jié)”的意思，和 byte 類似
printf("char : %d octets\n", sizeof(char));
printf("int : %d octets\n", sizeof(int));
printf("long : %d octets\n", sizeof(long));
printf("double : %d octets\n", sizeof(double));
在我的電腦（64 位）運行，輸出：
char : 1 octets
int : 4 octets
long : 8 octets
double : 8 octets
我們并沒有測試所有已知的變量類型，你也可以課后自己去測試一下其他的類型，例如：short，float。
曾幾何時，當(dāng)電腦的內(nèi)存很小的年代，有這么多不同大小的變量類型可供選擇是一件很好的事，因為我們可以選“夠用的最小的”那種變量類型，以節(jié)約內(nèi)存。
現(xiàn)在，電腦的內(nèi)存一般都很大，“有錢任性”么。所以我們在編程時也沒必要太“拘謹(jǐn)”。不過在嵌入式領(lǐng)域，內(nèi)存大小一般是有限的，我們就得斟酌著使用變量類型了。
既然 sizeof 這么好用，我們可不可以用它來顯示我們自定義的變量類型的大小呢？例如 struct，enum，union。
是可以的。寫一個程序測試一下：
#include <stdio.h>
typedef struct Coordinate
{
int x;
int y;
} Coordinate;
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("Coordinate 結(jié)構(gòu)體的大小是 : %d 個字節(jié)\n", sizeof(Coordinate));
return 0;
}
運行輸出：
Coordinate 結(jié)構(gòu)體的大小是 : 8 個字節(jié)
對于內(nèi)存的全新視角
之前，我們在繪制內(nèi)存圖示時，還是比較不精準(zhǔn)的。現(xiàn)在，我們知道了每個變量所占用的大小，我們的內(nèi)存圖示就可以變得更加精準(zhǔn)了。
假如我定義一個 int 類型的變量：
int age = 17;
我們用 sizeof 測試后得知 int 的大小為 4。假設(shè)我們的變量 age 被分配到的內(nèi)存地址起始是 1700，那么我們的內(nèi)存圖示就如下所示：
我們看到，我們的 int 型變量 age 在內(nèi)存中占用 4 個字節(jié)，起始地址是 1700（它的內(nèi)存地址），一直到 1703。
如果我們對一個 char 型變量（大小是一個字節(jié)）同樣賦值：
char number = 17;
那么，其內(nèi)存圖示是這樣的：
假如是一個 int 型的數(shù)組：
int age[100];
用 sizeof() 測試一下，就可以知道在內(nèi)存中 age 數(shù)組占用 400 個字節(jié)。4 * 100 = 400。
即使這個數(shù)組沒有賦初值，但是在內(nèi)存中仍然占據(jù) 400 個字節(jié)的空間。變量一聲明，在內(nèi)存中就為它分配一定大小的內(nèi)存了。
那么，如果我們創(chuàng)建一個類型是 Coordinate 的數(shù)組呢？
Coordinate coordinate[100];
其大小就是 8 * 100 = 800 個字節(jié)了。
3. 內(nèi)存的動態(tài)分配
好了，現(xiàn)在我們就進(jìn)入這一課的關(guān)鍵部分了，重提一次這一課的目的：學(xué)會如何手動申請內(nèi)存空間。
我們需要引入 stdlib.h 這個標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件，因為接下來要使用的函數(shù)是定義在這個庫里面。
這兩個函數(shù)是什么呢？就是：
malloc：是 Memory Allocation 的縮寫，表示“內(nèi)存分配”。詢問操作系統(tǒng)能否預(yù)支一塊內(nèi)存空間來使用。
free：表示“解放，釋放，自由的”。意味著“釋放那塊內(nèi)存空間”。告訴操作系統(tǒng)我們不再需要這塊已經(jīng)分配的空間了，這塊內(nèi)存空間會被釋放，另一個程序就可以使用這塊空間了。
當(dāng)我們手動分配內(nèi)存時，須要按照以下三步順序來：
調(diào)用 malloc 函數(shù)來申請內(nèi)存空間。
檢測 malloc 函數(shù)的返回值，以得知操作系統(tǒng)是否成功為我們的程序分配了這塊內(nèi)存空間。
一旦使用完這塊內(nèi)存，不再需要時，必須用 free 函數(shù)來釋放占用的內(nèi)存，不然可能會造成內(nèi)存泄漏。
以上三個步驟是不是讓我們回憶起關(guān)于上一課“文件讀寫”的內(nèi)容了？
這三個步驟和文件指針的操作有點類似，也是先申請內(nèi)存，檢測是否成功，用完釋放。
malloc 函數(shù)：申請內(nèi)存
malloc 分配的內(nèi)存是在堆上，一般的局部變量（自動分配的）大多是在棧上。
關(guān)于堆和棧的區(qū)別，還有內(nèi)存的其他區(qū)域，如靜態(tài)區(qū)等，大家可以自己延伸閱讀。
之前“字符串”那一課里已經(jīng)給出過一張圖表了。再來回顧一下吧：
| 名稱 | 內(nèi)容 |
|---|---|
| 代碼段 | 可執(zhí)行代碼、字符串常量 |
| 數(shù)據(jù)段 | 已初始化全局變量、已初始化全局靜態(tài)變量、局部靜態(tài)變量、常量數(shù)據(jù) |
| BSS段 | 未初始化全局變量，未初始化全局靜態(tài)變量 |
| 棧 | 局部變量、函數(shù)參數(shù) |
| 堆 | 動態(tài)內(nèi)存分配 |
給出 malloc 函數(shù)的原型，你會發(fā)現(xiàn)有點滑稽：
void* malloc(size_t numOctetsToAllocate);
可以看到，malloc 函數(shù)有一個參數(shù) numOctetsToAllocate，就是需要申請的內(nèi)存空間大小（用字節(jié)數(shù)表示），這里的 size_t（之前的課程有提到過）其實和 int 是類似的，就是一個 define 宏定義，實際上很多時候就是 int。
對于我們目前的演示程序，可以將 sizeof(int) 置于 malloc 的括號中，表示要申請 int 類型的大小的空間。
真正引起我們興趣的是 malloc 函數(shù)的返回值：
void*
如果你還記得我們在函數(shù)那章所說的，void 表示“空”，我們用 void 來表示函數(shù)沒有返回值。
所以說，這里我們的函數(shù) malloc 會返回一個指向 void 的指針，一個指向“空”（void 表示“虛無，空”）的指針，有什么意義呢？malloc 函數(shù)的作者不會搞錯了吧？
不要擔(dān)心，這么做肯定是有理由的。
難道有人敢質(zhì)疑老爺子 Dennis Ritchie（C語言的作者）的智商？
來人吶，拖出去... 罰寫 100 個 C語言小游戲。
事實上，這個函數(shù)返回一個指針，指向操作系統(tǒng)分配的內(nèi)存的首地址。
如果操作系統(tǒng)在 1700 這個地址為你開辟了一塊內(nèi)存的話，那么函數(shù)就會返回一個包含 1700 這個值的指針。
但是，問題是：malloc 函數(shù)并不知道你要創(chuàng)建的變量是什么類型的。
實際上，你只給它傳遞了一個參數(shù)： 在內(nèi)存中你需要申請的字節(jié)數(shù)。
如果你申請 4 個字節(jié)，那么有可能是 int 類型，也有可能是 long 類型。
正因為 malloc 不知道自己應(yīng)該返回什么變量類型（它也無所謂，只要分配了一塊內(nèi)存就可以了），所以它會返回 void* 這個類型。這是一個可以表示任意指針類型的指針。
void* 與其他類型的指針之間可以通過強制轉(zhuǎn)換來相互轉(zhuǎn)換。例如：
int *i = (int *)p; // p 是一個 void* 類型的指針
void *v = (void *)c; // c 是一個 char* 類型的指針
實踐
如果我實際來用 malloc 函數(shù)分配一個 int 型指針：
int *memoryAllocated = NULL; // 創(chuàng)建一個 int 型指針
memoryAllocated = malloc(sizeof(int)); // malloc 函數(shù)將分配的地址賦值給我們的指針 memoryAllocated
經(jīng)過上面的兩行代碼，我們的 int 型指針 memoryAllocated 就包含了操作系統(tǒng)分配的那塊內(nèi)存地址的首地址值。
假如我們用之前我們的圖示來舉例，這個值就是 1700。
檢測指針
既然上面我們用兩行代碼使得 memoryAllocated 這個指針包含了分配到的地址的首地址值，那么我們就可以通過檢測 memoryAllocated 的值來判斷申請內(nèi)存是否成功了：
如果為 NULL，則說明 malloc 調(diào)用沒有成功。
否則，就說明成功了。
一般來說內(nèi)存分配不會失敗，但是也有極端情況：
你的內(nèi)存（堆內(nèi)存）已經(jīng)不夠了。
你申請的內(nèi)存值大得離譜（比如你申請 64 GB 的內(nèi)存空間，那我想大多數(shù)電腦都是不可能分配成功的）。
希望大家每次用 malloc 函數(shù)時都要做指針的檢測，萬一真的出現(xiàn)返回值為 NULL 的情況，那我們需要立即停止程序，因為沒有足夠的內(nèi)存，也不可能進(jìn)行下面的操作了。
為了中斷程序的運行，我們來使用一個新的函數(shù)：
exit()
exit 函數(shù)定義在 stdlib.h 中，調(diào)用此函數(shù)會使程序立即停止。
這個函數(shù)也只有一個參數(shù)，就是返回值，這和 return 函數(shù)的參數(shù)是一樣原理的。實例：
int main(int argc, char *argv[])
{
int *memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int));
if (memoryAllocated == NULL) // 如果分配內(nèi)存失敗
{
exit(0); // 立即停止程序
}
// 如果指針不為 NULL，那么可以繼續(xù)進(jìn)行接下來的操作
return 0;
}
另外一個問題：用 malloc 函數(shù)申請 0 字節(jié)內(nèi)存會返回 NULL 指針嗎？
可以測試一下，也可以去查找關(guān)于 malloc 函數(shù)的說明文檔。
申請 0 字節(jié)內(nèi)存，函數(shù)并不返回 NULL，而是返回一個正常的內(nèi)存地址。
但是你卻無法使用這塊大小為 0 的內(nèi)存！
這就好比尺子上的某個刻度，刻度本身并沒有長度，只有某兩個刻度一起才能量出長度。
對于這一點一定要小心，因為這時候 if(NULL != p) 語句校驗將不起作用。
free函數(shù)：釋放內(nèi)存
記得上一課我們使用 fclose 函數(shù)來關(guān)閉一個文件指針，也就是釋放占用的內(nèi)存。
free 函數(shù)的原理和 fclose 是類似的，我們用它來釋放一塊我們不再需要的內(nèi)存。原型：
void free(void* pointer);
free 函數(shù)只有一個目的：釋放 pointer 指針?biāo)赶虻哪菈K內(nèi)存。
實例程序：
int main(int argc, char *argv[])
{
int* memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int));
if (memoryAllocated == NULL) // 如果分配內(nèi)存失敗
{
exit(0); // 立即停止程序
}
// 此處添加使用這塊內(nèi)存的代碼
free(memoryAllocated); // 我們不再需要這塊內(nèi)存了，釋放之
return 0;
}
綜合上面的三個步驟，我們來寫一個完整的例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int* memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int)); // 分配內(nèi)存
if (memoryAllocated == NULL) // 檢測是否分配成功
{
exit(0); // 不成功，結(jié)束程序
}
// 使用這塊內(nèi)存
printf("您幾歲了 ? ");
scanf("%d", memoryAllocated);
printf("您已經(jīng) %d 歲了\n", *memoryAllocated);
free(memoryAllocated); // 釋放這塊內(nèi)存
return 0;
}
運行輸出：
您幾歲了 ? 32
您已經(jīng) 32 歲了
以上就是我們用動態(tài)分配的方式來創(chuàng)建了一個 int 型變量，使用它，釋放它所占用的內(nèi)存。
但是，我們也完全可以用以前的方式來實現(xiàn)，如下:
int main(int argc, char *argv[])
{
int myAge = 0; // 分配內(nèi)存 (自動)
// 使用這塊內(nèi)存
printf("您幾歲了 ? ");
scanf("%d", &myAge);
printf("你已經(jīng) %d 歲了\n", myAge);
return 0;
} // 釋放內(nèi)存 (在函數(shù)結(jié)束后自動釋放)
在這個簡單使用場景下，兩種方式（手動和自動）都是能完成任務(wù)的。
總結(jié)說來，創(chuàng)建一個變量（說到底也就是分配一塊內(nèi)存空間）有兩種方式：自動和手動。
自動：我們熟知并且一直使用到現(xiàn)在的方式。
手動（動態(tài)）：這一課我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容。
你可能會說：“我發(fā)現(xiàn)動態(tài)分配內(nèi)存的方式既復(fù)雜又沒什么用嘛！”
復(fù)雜么？還行吧，確實相對自動的方式要考慮比較多的因素。
沒有用么？絕不！
因為很多時候我們不得不使用手動的方式來分配內(nèi)存。
接下來我們就來看一下手動方式的必要性。
4. 動態(tài)分配一個數(shù)組
暫時我們只是用手動方式來創(chuàng)建了一個簡單的變量。
然而，一般說來，我們的動態(tài)分配可不是這樣“大材小用”的。
如果只是創(chuàng)建一個簡單的變量，我們用自動的方式就夠了。
那你會問：“啥時候須要用動態(tài)分配啊？”
問得好。動態(tài)分配最常被用來創(chuàng)建在運行時才知道大小的變量，例如動態(tài)數(shù)組。
假設(shè)我們要存儲一個用戶的朋友的年齡列表，按照我們以前的方式（自動方式），我們可以創(chuàng)建一個 int 型的數(shù)組：
int ageFriends[18];
很簡單對嗎？那問題不就解決了？
但是以上方式有兩個缺陷：
你怎么知道這個用戶只有 18 個朋友呢？可能他有更多朋友呢。
你說：“那好，我就創(chuàng)建一個數(shù)組：
int ageFriends[10000];
足夠儲存 1 萬個朋友的年齡。”
但是問題是：可能我們使用到的只是這個大數(shù)組的很小一部分，豈不是浪費內(nèi)存嘛。
最恰當(dāng)?shù)姆绞绞窃儐栍脩羲卸嗌倥笥眩缓髣?chuàng)建對應(yīng)大小的數(shù)組。
而這樣，我們的數(shù)組大小就只有在運行時才能知道了。
Voila，這就是動態(tài)分配的優(yōu)勢了：
可以在運行時才確定申請的內(nèi)存空間大小。
不多不少剛剛好，要多少就申請多少，不怕不夠或過多。
所以借著動態(tài)分配，我們就可以在運行時詢問用戶他到底有多少朋友。
如果他說有 20 個，那我們就申請 20 個 int 型的空間；如果他說有 50 個，那就申請 50 個。經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。
我們之前說過，C語言中禁止用變量名來作為數(shù)組大小，例如不能這樣：
int ageFriends[numFriends]; // numFriends 是一個變量
盡管有的 C編譯器可能允許這樣的聲明，但是我們不推薦。
我們來看看用動態(tài)分配的方式如何實現(xiàn)這個程序：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int numFriends = 0, i = 0;
int *ageFriends= NULL; // 這個指針用來指示朋友年齡的數(shù)組
// 詢問用戶有多少個朋友
printf("請問您有多少朋友 ? ");
scanf("%d", &numFriends);
if (numFriends > 0) // 至少得有一個朋友吧，不然也太慘了 :P
{
ageFriends = malloc(numFriends * sizeof(int)); // 為數(shù)組分配內(nèi)存
if (ageFriends== NULL) // 檢測分配是否成功
{
exit(0); // 分配不成功，退出程序
}
// 逐個詢問朋友年齡
for (i = 0 ; i < numFriends; i++) {
printf("第%d位朋友的年齡是 ? ", i + 1);
scanf("%d", &ageFriends[i]);
}
// 逐個輸出朋友的年齡
printf("\n\n您的朋友的年齡如下 :\n");
for (i = 0 ; i < numFriends; i++) {
printf("%d 歲\n", ageFriends[i]);
}
// 釋放 malloc 分配的內(nèi)存空間，因為我們不再需要了
free(ageFriends);
}
return 0;
}
運行輸出：
請問您有多少朋友 ? 7
第1位朋友的年齡是 ? 25
第2位朋友的年齡是 ? 21
第3位朋友的年齡是 ? 27
第4位朋友的年齡是 ? 18
第5位朋友的年齡是 ? 14
第6位朋友的年齡是 ? 32
第7位朋友的年齡是 ? 30
您的朋友的年齡如下 :
25歲
21歲
27歲
18歲
14歲
32歲
30歲
當(dāng)然了，這個程序比較簡單，但我向你保證以后的課程會使用動態(tài)分配來做更有趣的事。
5. 總結(jié)
不同類型的變量在內(nèi)存中所占的大小不盡相同。
借助 sizeof 這個關(guān)鍵字（也是運算符）可以知道一個類型所占的字節(jié)數(shù)。
動態(tài)分配就是在內(nèi)存中手動地預(yù)留一塊空間給一個變量或者數(shù)組。
動態(tài)分配的常用函數(shù)是 malloc（當(dāng)然，還有 calloc，realloc，可以查閱使用方法，和 malloc 是類似的），但是在不需要這塊內(nèi)存之后，千萬不要忘了使用 free 函數(shù)來釋放。而且，malloc 和 free 要一一對應(yīng)，不能一個 malloc 對應(yīng)兩個 free，會出錯；或者兩個 malloc 對應(yīng)一個 free，會內(nèi)存泄露！
動態(tài)分配使得我們可以創(chuàng)建動態(tài)數(shù)組，就是它的大小在運行時才能確定。
6. 第二部分第九課預(yù)告
今天的課就到這里，一起加油吧！
下一課： C語言探索之旅 | 第二部分第九課： 實戰(zhàn)"懸掛小人"游戲
我是 謝恩銘，公眾號「程序員聯(lián)盟」（微信號：coderhub）運營者，慕課網(wǎng)精英講師 Oscar 老師，終生學(xué)習(xí)者。
熱愛生活，喜歡游泳，略懂烹飪。
人生格言：「向著標(biāo)桿直跑」
