基本存儲類別和動態記憶體分配

本文部分內容參考了C Primer Plus(sixth edition)一書

存儲類別和記憶體分佈

　　簡單介紹一下變數的存儲類別和它的記憶體分佈，我們先通過一張表來瞭解一些基本術語：

　　〉〉塊指的是一對花括弧括起來的代碼。C99之後，塊也可以是迴圈語句+迴圈體（單一語句）。具有塊作用域的變數只能在塊內可見。C99之前，變數只允許聲明在塊的開頭。無鏈接。

　　〉〉函數作用域僅用於goto標簽，一個標簽首次出現在函數的內層塊中，它的作用域將延伸直整個函數。無鏈接。

　　〉〉函數原型作用域：聲明函數原型時形參的作用域，僅限於原型。無鏈接。註意，如果在某一函數int fun的原型中聲明變長數組，應該這樣聲明int fun(int n, int m, int vla[n][m]);

　　〉〉文件作用域：定義在函數外，從定義處到文件末尾均可見。具有內部和外部鏈接。

　　〉〉外部鏈接：具有外部鏈接的變數在程式的所有文件中都可見。例如，main.c中定義了一個外部鏈接變數int var;在lock.c中就要用extern int x;來聲明使用。

　　〉〉內部鏈接：具有該鏈接的變數只在該文件可見。例如：static int var; var使用時不必加上像外部鏈接變數的聲明。

　　〉〉無鏈接：不具有文件作用域的變數無鏈接。

　　〉〉靜態存儲期：生命（在記憶體中存在時間）：程式開始到結束。

　　〉〉線程存儲期：生命：從線程開始到結束。

　　〉〉自動存儲期：生命以塊為參照，離開塊即消失。

　　〉〉動態分配存儲期：由程式員管理。

　　總結表如下：

　　此外還有寄存器變數，由於這種變數實用性不高，不討論。

　　在記憶體中，靜態數據（包括常量）占用一個區域，自動數據占用另一個區域，動態分配的數據占第三個區域（記憶體堆）。

動態記憶體分配函數malloc()和釋放函數free()

　　在C99標準發佈之前，我們不能使用變數作為聲明數組的元素個數。如果我們要創建一個自定義長度的數組，就不能使用原來定義普通靜態數組的方法。那麼該怎麼辦呢？這時候就要通過動態分配記憶體來聲明動態數組了。

　　malloc()函數原型在stdlib.h文件中。它返回一個指向void類型的指針，這個指針指向分配記憶體的首地址。下麵這段代碼分配一個具有10個int類型元素的動態數組，用指針ptr指向這個數組的首元素。

int *ptr, n = 10;
ptr = (int *)malloc( (size_t)n * sizeof(int) );

　　malloc()的括弧里應填入所需要分配的記憶體大小，以位元組為單位，類型是size_t。為了提供程式的可移植性，我們用了sizeof()運算符來獲取當前系統int類型的變數所占用的位元組大小。建議大家使用強制類型轉換來使用指向void類型的指針。

　　但是，如果分配記憶體失敗了，會怎麼樣？malloc()函數會返回一個指向NULL的指針，如果程式在記憶體分配失敗後繼續使用記憶體，就會導致程式異常終止。所以，在分配記憶體之後，需要檢查一下成功分配了沒有。

int *ptr, n = 10;
ptr = (int *)malloc( (size_t)n * sizeof(int) );
if(ptr == NULL)
    exit(EXIT_FAILURE);

或者：

int *ptr, n = 10;
if( !( ptr = (int *)malloc( (size_t)n * sizeof(int)) ) )
    exit(EXIT_FAILURE);

都是很好的方法。

　　我們知道，malloc()分配的記憶體具有動態分配存儲期，由程式員控制變數的生命期。如果程式結束前沒有及時地釋放它，程式結束之後就仍然存在。更糟糕的是，如果程式運行中，指向該塊記憶體首地址的指針全部被銷毀，那麼這塊記憶體就永遠無法正確訪問，也就無法釋放這塊記憶體，這就會導致記憶體泄露。記憶體泄露問題很嚴重，會導致系統停止運行！因為沒有空餘的記憶體空間，所以，在分配記憶體之後如果不需要再次使用，一定要釋放！警惕不小心更改指向動態分配記憶體空間的指針！釋放動態分配的記憶體，我們用free()函數。

free(ptr);

　　這行代碼就釋放了之前用malloc()分配的記憶體空間。

動態數組排序實例

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <conio.h>
 4 
 5 int main(int argc, char * argv[]){
 6     int * ptr;
 7     int key, size, i, j;
 8 
 9     printf("請輸入動態數組大小：");
10     while( !( scanf("%d",&size) ) || size < 0 ){
11         printf("輸入錯誤，請重新輸入。\n:");
12         while( getchar() != '\n' );//調整輸入緩衝區
13     }
14 
15     if( !( ptr = (int *)malloc( (size_t)size * sizeof(int)) ) ){//分配記憶體
16         printf("記憶體請求失敗！");
17         exit(EXIT_FAILURE);
18     }
19 
20     printf("請依次輸入數組元素內容：\n");
21     for(i = 0; i < size; i++)
22         scanf("%d",&ptr[i]);
23     while( getchar() != '\n' );
24 
25     for(i = 1; i < size; i++){//插入排序
26         j = i - 1;
27         key = ptr[i];
28         while( j >= 0 && ptr[j] > key){
29             ptr[j + 1] = ptr[j];
30             j--;
31         }
32         ptr[j + 1] = key;
33     }
34 
35     printf("各元素排序後輸出如下：");
36     for(i = 0; i < size; i++)
37         printf("%d  ",ptr[i]);
38 
39     free(ptr); //釋放記憶體，重中之重
40 
41     _getch();
42     return 0;
43 }

運行結果：

補充：realloc()函數

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

　　簡單描述：把ptr指向的記憶體空間更改為size位元組，size位元組內的記憶體塊內容不變。該函數返回塊的位置。如果不能重新分配空間，則返回NULL。如果ptr為NULL，其行為與調用帶size參數的malloc()相同。如果size為0且ptr不是NULL，其行為與調用帶ptr參數的free相同。

　　不推薦大量使用這個函數，因為當不能重新分配空間時，函數返回NULL，原來已分配的記憶體塊地址丟失，會造成記憶體泄露。儘管在很多時候這個函數非常方便。如果你需要使用這個函數，請先保存原來記憶體塊的地址！