作者 谢恩铭，公众号「程序员联盟」（微信号：coderhub）。
转载请注明出处。
原文：https://www.jianshu.com/p/bbce8f04faf1
《C语言探索之旅》全系列
内容简介
- 前言
- 变量的大小
- 内存的动态分配
- 动态分配一个数组
- 总结
- 第二部分第九课预告
1. 前言
上一课是 C语言探索之旅 | 第二部分第七课：文件读写 。
经历了第二部分的一些难点课程，我们终于来到了这一课，一个听起来有点酷酷的名字：动态分配。
“万水千山总是情，分配也由系统定”。
到目前为止，我们创建的变量都是系统的编译器为我们自动构建的，这是简单的方式。
其实还有一种更偏手动的创建变量的方式，我们称为“动态分配”（Dynamic Allocation）。dynamic 表示“动态的”，allocation 表示“分配”。
动态分配的一个主要好处就是可以在内存中“预置”一定空间大小，在编译时还不知道到底会用多少。
使用这个技术，我们可以创建大小可变的数组。到目前为止我们所创建的数组都是大小固定不可变的。而学完这一课后我们就会创建所谓“动态数组”了。
学习这一章需要对指针有一定了解，如果指针的概念你还没掌握好，可以回去复习 C语言探索之旅 | 第二部分第二课：进击的指针，C语言的王牌！ 那一课。
我们知道当我们创建一个变量时，在内存中要为其分配一定大小的空间。例如：
int number = 2;
当程序运行到这一行代码时，会发生几件事情：
-
应用程序询问操作系统（Operating System，简称 OS。例如Windows，Linux，macOS，Android，iOS，等）是否可以使用一小块内存空间。
-
操作系统回复我们的程序，告诉它可以将这个变量存储在内存中哪个地方（给出分配的内存地址）。
-
当函数结束后，你的变量会自动从内存中被删除。你的程序对操作系统说：“我已经不需要内存中的这块地址了，谢谢！” （当然，实际上你的程序不可能对操作系统说一声“谢谢”，但是确实是操作系统在掌管一切，包括内存，所以对它还是客气一点比较好...）。
可以看到，以上的过程都是自动的。当我们创建一个变量，操作系统就会自动被程序这样调用。
那么什么是手动的方式呢？说实在的，没人喜欢把事情复杂化，如果自动方式可行，何必要大费周章来使用什么手动方式呢？但是要知道，很多时候我们是不得不使用手动方式。
这一课中，我们将会：
-
探究内存的机制（是的，虽然以前的课研究过，但是还是要继续深入），了解不同变量类型所占用的内存大小。
-
接着，探究这一课的主题，来学习如何向操作系统动态请求内存。也就是所谓的“动态内存分配”。
-
最后，通过学习如何创建一个在编译时还不知道其大小（只有在程序运行时才知道）的数组来了解动态内存分配的好处。
准备好了吗？Let's Go !
2. 变量的大小
根据我们所要创建的变量的类型（char，int，double，等等），其所占的内存空间大小是不一样的。
事实上，为了存储一个大小在 -128 至 127 之间的数（char 类型），只需要占用一个字节（8 个二进制位）的内存空间，是很小的。
然而，一个 int 类型的变量就要占据 4 个字节了；一个 double 类型要占据 8 个字节。
问题是：并不总是这样。
什么意思呢？
因为类型所占内存的大小还与操作系统有关系。不同的操作系统可能就不一样，32 位和 64 位的操作系统的类型大小一般会有区别。
这一节中我们的目的是学习如何获知变量所占用的内存大小。
有一个很简单的方法：使用 sizeof()。
虽然看着有点像函数，但其实 sizeof 不是一个函数，而是一个 C语言的关键字，也算是一个运算符吧。
我们只需要在 sizeof 的括号里填入想要检测的变量类型，sizeof 就会返回所占用的字节数了。
例如，我们要检测 int 类型的大小，就可以这样写：
sizeof(int)
在编译时，sizeof(int) 就会被替换为 int 类型所占用的字节数了。
在我的电脑上，sizeof(int) 是 4，也就是说 int 类型在我的电脑的内存中占据 4 个字节。在你的电脑上，也许是 4，但也可能是其他的值。
我们用一个例子来测试一下吧：
// octet 是英语“字节”的意思，和 byte 类似
printf("char : %d octets
", sizeof(char));
printf("int : %d octets
", sizeof(int));
printf("long : %d octets
", sizeof(long));
printf("double : %d octets
", sizeof(double));
在我的电脑（64 位）运行，输出：
char : 1 octets
int : 4 octets
long : 8 octets
double : 8 octets
我们并没有测试所有已知的变量类型，你也可以课后自己去测试一下其他的类型，例如：short，float。
曾几何时，当电脑的内存很小的年代，有这么多不同大小的变量类型可供选择是一件很好的事，因为我们可以选“够用的最小的”那种变量类型，以节约内存。
现在，电脑的内存一般都很大，“有钱任性”么。所以我们在编程时也没必要太“拘谨”。不过在嵌入式领域，内存大小一般是有限的，我们就得斟酌着使用变量类型了。
既然 sizeof 这么好用，我们可不可以用它来显示我们自定义的变量类型的大小呢？例如 struct，enum，union。
是可以的。写一个程序测试一下：
#include <stdio.h>
typedef struct Coordinate
{
int x;
int y;
} Coordinate;
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("Coordinate 结构体的大小是 : %d 个字节
", sizeof(Coordinate));
return 0;
}
运行输出：
Coordinate 结构体的大小是 : 8 个字节
对于内存的全新视角
之前，我们在绘制内存图示时，还是比较不精准的。现在，我们知道了每个变量所占用的大小，我们的内存图示就可以变得更加精准了。
假如我定义一个 int 类型的变量：
int age = 17;
我们用 sizeof 测试后得知 int 的大小为 4。假设我们的变量 age 被分配到的内存地址起始是 1700，那么我们的内存图示就如下所示：
我们看到，我们的 int 型变量 age 在内存中占用 4 个字节，起始地址是 1700（它的内存地址），一直到 1703。
如果我们对一个 char 型变量（大小是一个字节）同样赋值：
char number = 17;
那么，其内存图示是这样的：
假如是一个 int 型的数组：
int age[100];
用 sizeof() 测试一下，就可以知道在内存中 age 数组占用 400 个字节。4 * 100 = 400。
即使这个数组没有赋初值，但是在内存中仍然占据 400 个字节的空间。变量一声明，在内存中就为它分配一定大小的内存了。
那么，如果我们创建一个类型是 Coordinate 的数组呢？
Coordinate coordinate[100];
其大小就是 8 * 100 = 800 个字节了。
3. 内存的动态分配
好了，现在我们就进入这一课的关键部分了，重提一次这一课的目的：学会如何手动申请内存空间。
我们需要引入 stdlib.h 这个标准库头文件，因为接下来要使用的函数是定义在这个库里面。
这两个函数是什么呢？就是：
-
malloc：是 Memory Allocation 的缩写，表示“内存分配”。询问操作系统能否预支一块内存空间来使用。
-
free：表示“解放，释放，自由的”。意味着“释放那块内存空间”。告诉操作系统我们不再需要这块已经分配的空间了，这块内存空间会被释放，另一个程序就可以使用这块空间了。
当我们手动分配内存时，须要按照以下三步顺序来：
-
调用 malloc 函数来申请内存空间。
-
检测 malloc 函数的返回值，以得知操作系统是否成功为我们的程序分配了这块内存空间。
-
一旦使用完这块内存，不再需要时，必须用 free 函数来释放占用的内存，不然可能会造成内存泄漏。
以上三个步骤是不是让我们回忆起关于上一课“文件读写”的内容了？
这三个步骤和文件指针的操作有点类似，也是先申请内存，检测是否成功，用完释放。
malloc 函数：申请内存
malloc 分配的内存是在堆上，一般的局部变量（自动分配的）大多是在栈上。
关于堆和栈的区别，还有内存的其他区域，如静态区等，大家可以自己延伸阅读。
之前“字符串”那一课里已经给出过一张图表了。再来回顾一下吧：
| 名称 | 内容 |
|---|---|
| 代码段 | 可执行代码、字符串常量 |
| 数据段 | 已初始化全局变量、已初始化全局静态变量、局部静态变量、常量数据 |
| BSS段 | 未初始化全局变量，未初始化全局静态变量 |
| 栈 | 局部变量、函数参数 |
| 堆 | 动态内存分配 |
给出 malloc 函数的原型，你会发现有点滑稽：
void* malloc(size_t numOctetsToAllocate);
可以看到，malloc 函数有一个参数 numOctetsToAllocate，就是需要申请的内存空间大小（用字节数表示），这里的 size_t（之前的课程有提到过）其实和 int 是类似的，就是一个 define 宏定义，实际上很多时候就是 int。
对于我们目前的演示程序，可以将 sizeof(int) 置于 malloc 的括号中，表示要申请 int 类型的大小的空间。
真正引起我们兴趣的是 malloc 函数的返回值：
void*
如果你还记得我们在函数那章所说的，void 表示“空”，我们用 void 来表示函数没有返回值。
所以说，这里我们的函数 malloc 会返回一个指向 void 的指针，一个指向“空”（void 表示“虚无，空”）的指针，有什么意义呢？malloc 函数的作者不会搞错了吧？
不要担心，这么做肯定是有理由的。
难道有人敢质疑老爷子 Dennis Ritchie（C语言的作者）的智商？
来人呐，拖出去... 罚写 100 个 C语言小游戏。
事实上，这个函数返回一个指针，指向操作系统分配的内存的首地址。
如果操作系统在 1700 这个地址为你开辟了一块内存的话，那么函数就会返回一个包含 1700 这个值的指针。
但是，问题是：malloc 函数并不知道你要创建的变量是什么类型的。
实际上，你只给它传递了一个参数： 在内存中你需要申请的字节数。
如果你申请 4 个字节，那么有可能是 int 类型，也有可能是 long 类型。
正因为 malloc 不知道自己应该返回什么变量类型（它也无所谓，只要分配了一块内存就可以了），所以它会返回 void* 这个类型。这是一个可以表示任意指针类型的指针。
void* 与其他类型的指针之间可以通过强制转换来相互转换。例如：
int *i = (int *)p; // p 是一个 void* 类型的指针
void *v = (void *)c; // c 是一个 char* 类型的指针
实践
如果我实际来用 malloc 函数分配一个 int 型指针：
int *memoryAllocated = NULL; // 创建一个 int 型指针
memoryAllocated = malloc(sizeof(int)); // malloc 函数将分配的地址赋值给我们的指针 memoryAllocated
经过上面的两行代码，我们的 int 型指针 memoryAllocated 就包含了操作系统分配的那块内存地址的首地址值。
假如我们用之前我们的图示来举例，这个值就是 1700。
检测指针
既然上面我们用两行代码使得 memoryAllocated 这个指针包含了分配到的地址的首地址值，那么我们就可以通过检测 memoryAllocated 的值来判断申请内存是否成功了：
-
如果为 NULL，则说明 malloc 调用没有成功。
-
否则，就说明成功了。
一般来说内存分配不会失败，但是也有极端情况：
-
你的内存（堆内存）已经不够了。
-
你申请的内存值大得离谱（比如你申请 64 GB 的内存空间，那我想大多数电脑都是不可能分配成功的）。
希望大家每次用 malloc 函数时都要做指针的检测，万一真的出现返回值为 NULL 的情况，那我们需要立即停止程序，因为没有足够的内存，也不可能进行下面的操作了。
为了中断程序的运行，我们来使用一个新的函数：
exit()
exit 函数定义在 stdlib.h 中，调用此函数会使程序立即停止。
这个函数也只有一个参数，就是返回值，这和 return 函数的参数是一样原理的。实例：
int main(int argc, char *argv[])
{
int *memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int));
if (memoryAllocated == NULL) // 如果分配内存失败
{
exit(0); // 立即停止程序
}
// 如果指针不为 NULL，那么可以继续进行接下来的操作
return 0;
}
另外一个问题：用 malloc 函数申请 0 字节内存会返回 NULL 指针吗？
可以测试一下，也可以去查找关于 malloc 函数的说明文档。
申请 0 字节内存，函数并不返回 NULL，而是返回一个正常的内存地址。
但是你却无法使用这块大小为 0 的内存！
这就好比尺子上的某个刻度，刻度本身并没有长度，只有某两个刻度一起才能量出长度。
对于这一点一定要小心，因为这时候 if(NULL != p) 语句校验将不起作用。
free函数：释放内存
记得上一课我们使用 fclose 函数来关闭一个文件指针，也就是释放占用的内存。
free 函数的原理和 fclose 是类似的，我们用它来释放一块我们不再需要的内存。原型：
void free(void* pointer);
free 函数只有一个目的：释放 pointer 指针所指向的那块内存。
实例程序：
int main(int argc, char *argv[])
{
int* memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int));
if (memoryAllocated == NULL) // 如果分配内存失败
{
exit(0); // 立即停止程序
}
// 此处添加使用这块内存的代码
free(memoryAllocated); // 我们不再需要这块内存了，释放之
return 0;
}
综合上面的三个步骤，我们来写一个完整的例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int* memoryAllocated = NULL;
memoryAllocated = malloc(sizeof(int)); // 分配内存
if (memoryAllocated == NULL) // 检测是否分配成功
{
exit(0); // 不成功，结束程序
}
// 使用这块内存
printf("您几岁了 ? ");
scanf("%d", memoryAllocated);
printf("您已经 %d 岁了
", *memoryAllocated);
free(memoryAllocated); // 释放这块内存
return 0;
}
运行输出：
您几岁了 ? 32
您已经 32 岁了
以上就是我们用动态分配的方式来创建了一个 int 型变量，使用它，释放它所占用的内存。
但是，我们也完全可以用以前的方式来实现，如下:
int main(int argc, char *argv[])
{
int myAge = 0; // 分配内存 (自动)
// 使用这块内存
printf("您几岁了 ? ");
scanf("%d", &myAge);
printf("你已经 %d 岁了
", myAge);
return 0;
} // 释放内存 (在函数结束后自动释放)
在这个简单使用场景下，两种方式（手动和自动）都是能完成任务的。
总结说来，创建一个变量（说到底也就是分配一块内存空间）有两种方式：自动和手动。
-
自动：我们熟知并且一直使用到现在的方式。
-
手动（动态）：这一课我们学习的内容。
你可能会说：“我发现动态分配内存的方式既复杂又没什么用嘛！”
复杂么？还行吧，确实相对自动的方式要考虑比较多的因素。
没有用么？绝不！
因为很多时候我们不得不使用手动的方式来分配内存。
接下来我们就来看一下手动方式的必要性。
4. 动态分配一个数组
暂时我们只是用手动方式来创建了一个简单的变量。
然而，一般说来，我们的动态分配可不是这样“大材小用”的。
如果只是创建一个简单的变量，我们用自动的方式就够了。
那你会问：“啥时候须要用动态分配啊？”
问得好。动态分配最常被用来创建在运行时才知道大小的变量，例如动态数组。
假设我们要存储一个用户的朋友的年龄列表，按照我们以前的方式（自动方式），我们可以创建一个 int 型的数组：
int ageFriends[18];
很简单对吗？那问题不就解决了？
但是以上方式有两个缺陷：
-
你怎么知道这个用户只有 18 个朋友呢？可能他有更多朋友呢。
-
你说：“那好，我就创建一个数组：
int ageFriends[10000];
足够储存 1 万个朋友的年龄。”
但是问题是：可能我们使用到的只是这个大数组的很小一部分，岂不是浪费内存嘛。
最恰当的方式是询问用户他有多少朋友，然后创建对应大小的数组。
而这样，我们的数组大小就只有在运行时才能知道了。
Voila，这就是动态分配的优势了：
-
可以在运行时才确定申请的内存空间大小。
-
不多不少刚刚好，要多少就申请多少，不怕不够或过多。
所以借着动态分配，我们就可以在运行时询问用户他到底有多少朋友。
如果他说有 20 个，那我们就申请 20 个 int 型的空间；如果他说有 50 个，那就申请 50 个。经济又环保。
我们之前说过，C语言中禁止用变量名来作为数组大小，例如不能这样：
int ageFriends[numFriends]; // numFriends 是一个变量
尽管有的 C编译器可能允许这样的声明，但是我们不推荐。
我们来看看用动态分配的方式如何实现这个程序：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int numFriends = 0, i = 0;
int *ageFriends= NULL; // 这个指针用来指示朋友年龄的数组
// 询问用户有多少个朋友
printf("请问您有多少朋友 ? ");
scanf("%d", &numFriends);
if (numFriends > 0) // 至少得有一个朋友吧，不然也太惨了 :P
{
ageFriends = malloc(numFriends * sizeof(int)); // 为数组分配内存
if (ageFriends== NULL) // 检测分配是否成功
{
exit(0); // 分配不成功，退出程序
}
// 逐个询问朋友年龄
for (i = 0 ; i < numFriends; i++) {
printf("第%d位朋友的年龄是 ? ", i + 1);
scanf("%d", &ageFriends[i]);
}
// 逐个输出朋友的年龄
printf("
您的朋友的年龄如下 :
");
for (i = 0 ; i < numFriends; i++) {
printf("%d 岁
", ageFriends[i]);
}
// 释放 malloc 分配的内存空间，因为我们不再需要了
free(ageFriends);
}
return 0;
}
运行输出：
请问您有多少朋友 ? 7
第1位朋友的年龄是 ? 25
第2位朋友的年龄是 ? 21
第3位朋友的年龄是 ? 27
第4位朋友的年龄是 ? 18
第5位朋友的年龄是 ? 14
第6位朋友的年龄是 ? 32
第7位朋友的年龄是 ? 30
您的朋友的年龄如下 :
25岁
21岁
27岁
18岁
14岁
32岁
30岁
当然了，这个程序比较简单，但我向你保证以后的课程会使用动态分配来做更有趣的事。
5. 总结
-
不同类型的变量在内存中所占的大小不尽相同。
-
借助 sizeof 这个关键字（也是运算符）可以知道一个类型所占的字节数。
-
动态分配就是在内存中手动地预留一块空间给一个变量或者数组。
-
动态分配的常用函数是 malloc（当然，还有 calloc，realloc，可以查阅使用方法，和 malloc 是类似的），但是在不需要这块内存之后，千万不要忘了使用 free 函数来释放。而且，malloc 和 free 要一一对应，不能一个 malloc 对应两个 free，会出错；或者两个 malloc 对应一个 free，会内存泄露！
-
动态分配使得我们可以创建动态数组，就是它的大小在运行时才能确定。
6. 第二部分第九课预告
今天的课就到这里，一起加油吧！
下一课： C语言探索之旅 | 第二部分第九课： 实战"悬挂小人"游戏
我是 谢恩铭，公众号「程序员联盟」（微信号：coderhub）运营者，慕课网精英讲师 Oscar 老师，终生学习者。
热爱生活，喜欢游泳，略懂烹饪。
人生格言：「向着标杆直跑」