基本存储类别和动态内存分配

本文部分内容参考了C Primer Plus(sixth edition)一书

存储类别和内存分布

　　简单介绍一下变量的存储类别和它的内存分布，我们先通过一张表来了解一些基本术语：

术语	解释	举例
作用域	描述程序中可访问的标识符的区域	块作用域，函数作用域，函数原型作用域，文件作用域
链接	变量属于哪一部分私有	外部链接（全局可见），内部链接（单一文件可见），无链接（块内可见）
存储期	描述通过标识符访问对象的生命期	静态存储期，线程存储期，自动存储期，动态分配存储期
翻译单元	一个源文件包含多个头文件，编译时当作一个翻译单元，作一个文件	头文件包含在源代码文件内

　　〉〉块指的是一对花括号括起来的代码。C99之后，块也可以是循环语句+循环体（单一语句）。具有块作用域的变量只能在块内可见。C99之前，变量只允许声明在块的开头。无链接。

　　〉〉函数作用域仅用于goto标签，一个标签首次出现在函数的内层块中，它的作用域将延伸直整个函数。无链接。

　　〉〉函数原型作用域：声明函数原型时形参的作用域，仅限于原型。无链接。注意，如果在某一函数int fun的原型中声明变长数组，应该这样声明int fun(int n, int m, int vla[n][m]);

　　〉〉文件作用域：定义在函数外，从定义处到文件末尾均可见。具有内部和外部链接。

　　〉〉外部链接：具有外部链接的变量在程序的所有文件中都可见。例如，main.c中定义了一个外部链接变量int var;在lock.c中就要用extern int x;来声明使用。

　　〉〉内部链接：具有该链接的变量只在该文件可见。例如：static int var; var使用时不必加上像外部链接变量的声明。

　　〉〉无链接：不具有文件作用域的变量无链接。

　　〉〉静态存储期：生命（在内存中存在时间）：程序开始到结束。

　　〉〉线程存储期：生命：从线程开始到结束。

　　〉〉自动存储期：生命以块为参照，离开块即消失。

　　〉〉动态分配存储期：由程序员管理。

　　总结表如下：

存储类别	存储期	作用域	链接	声明方式
自动	自动	块	无	块内
静态外部链接	静态	文件（整个程序）	外部	所有函数外，在另一文件使用前需要用extern再次声明
静态内部链接	静态	文件（单一翻译单元）	内部	所有函数外，用static声明
静态无链接	静态	块	无	块内，用static声明

　　此外还有寄存器变量，由于这种变量实用性不高，不讨论。

　　在内存中，静态数据（包括常量）占用一个区域，自动数据占用另一个区域，动态分配的数据占第三个区域（内存堆）。

动态内存分配函数malloc()和释放函数free()

　　在C99标准发布之前，我们不能使用变量作为声明数组的元素个数。如果我们要创建一个自定义长度的数组，就不能使用原来定义普通静态数组的方法。那么该怎么办呢？这时候就要通过动态分配内存来声明动态数组了。

　　malloc()函数原型在stdlib.h文件中。它返回一个指向void类型的指针，这个指针指向分配内存的首地址。下面这段代码分配一个具有10个int类型元素的动态数组，用指针ptr指向这个数组的首元素。

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

　　malloc()的括号里应填入所需要分配的内存大小，以字节为单位，类型是size_t。为了提供程序的可移植性，我们用了sizeof()运算符来获取当前系统int类型的变量所占用的字节大小。建议大家使用强制类型转换来使用指向void类型的指针。

　　但是，如果分配内存失败了，会怎么样？malloc()函数会返回一个指向NULL的指针，如果程序在内存分配失败后继续使用内存，就会导致程序异常终止。所以，在分配内存之后，需要检查一下成功分配了没有。

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。

　　我们知道，malloc()分配的内存具有动态分配存储期，由程序员控制变量的生命期。如果程序结束前没有及时地释放它，程序结束之后就仍然存在。更糟糕的是，如果程序运行中，指向该块内存首地址的指针全部被销毁，那么这块内存就永远无法正确访问，也就无法释放这块内存，这就会导致内存泄露。内存泄露问题很严重，会导致系统停止运行！因为没有空余的内存空间，所以，在分配内存之后如果不需要再次使用，一定要释放！警惕不小心更改指向动态分配内存空间的指针！释放动态分配的内存，我们用free()函数。

free(ptr);

　　这行代码就释放了之前用malloc()分配的内存空间。

　　如果ptr所指向的内存块不是通过malloc(),calloc()或realloc()分配的，或者指向一个已经删除的空间，该结果未定义！

动态数组排序实例

　　动态数组和变长数组（C99）类似，但不表示数组的长度在程序运行中是可变的，只是说可以用变量来表示数组长度。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>

int main(int argc, char * argv[]){
    int * ptr;
    int key, size, i, j;

    printf("请输入动态数组大小：");
    while( !( scanf("%d",&size) ) || size < 0 ){
        printf("输入错误，请重新输入。
:");
        while( getchar() != '
' );//调整输入缓冲区
    }

    if( !( ptr = (int *)malloc( (size_t)size * sizeof(int)) ) ){//分配内存
        printf("内存请求失败！");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("请依次输入数组元素内容：
");
    for(i = 0; i < size; i++)
        scanf("%d",&ptr[i]);
    while( getchar() != '
' );

    for(i = 1; i < size; i++){//插入排序
        j = i - 1;
        key = ptr[i];
        while( j >= 0 && ptr[j] > key){
            ptr[j + 1] = ptr[j];
            j--;
        }
        ptr[j + 1] = key;
    }

    printf("各元素排序后输出如下：");
    for(i = 0; i < size; i++)
        printf("%d  ",ptr[i]);

    free(ptr); //释放内存，重中之重

    _getch();
    return 0;
}

运行结果：

动态内存分配calloc()函数

　　分配内存，除了使用malloc()函数外，还可以使用calloc()函数。calloc()函数和malloc()函数最大的区别就是：calloc()函数在分配内存之后，会把块中的所有位置0（某些硬件系统中，不是把所有的位都置0来表示浮点值0）。

　　calloc()函数接受两个size_t类型的参数。第一个参数表明存储单元的数量，第二个参数表示每个存储单元的大小（以字节为单位）。

　　现在如果我们要申请一个元素个数为n个的int类型动态数组ar，我们可以这样做：

int * ar;
int n = 10;
ar = (int *)calloc((size_t)n, sizeof(int) ); 
if( ar == NULL )
    exit(EXIT_FAILURE);

　　如果分配内存成功，此时，ar数组里的每一个元素都为0。

　　同样，我们可以使用free()来释放calloc()分配的内存：

free(ar);

补充：realloc()函数

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

　　简单描述：把ptr指向的内存空间更改为size字节，size字节内的内存块内容不变。该函数返回块的位置。如果不能重新分配空间，则返回NULL。如果ptr为NULL，其行为与调用带size参数的malloc()相同。如果size为0且ptr不是NULL，其行为与调用带ptr参数的free相同。

　　不推荐大量使用这个函数，因为当不能重新分配空间时，函数返回NULL，原来已分配的内存块地址丢失，会造成内存泄露。尽管在很多时候这个函数非常方便。如果你需要使用这个函数，请先保存原来内存块的地址！