為什么需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存？

一、前言

不知道大家在學(xué)習(xí)C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的時(shí)候有沒(méi)有過(guò)這樣的疑問(wèn)，既然系統(tǒng)可以自動(dòng)幫我們分配內(nèi)存，為什么還需要我們程序員自己去分配內(nèi)存呢？

如果想要弄清楚這些問(wèn)題，我們首先就要了解靜態(tài)內(nèi)存和動(dòng)態(tài)內(nèi)存有什么區(qū)別，只有了解了他們兩個(gè)的區(qū)別我們才能弄懂（理解）為什么需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存！

今天的文章會(huì)用到以下知識(shí)點(diǎn)，大家可以作為了解內(nèi)容去學(xué)習(xí)：靜態(tài)內(nèi)存、動(dòng)態(tài)內(nèi)存、堆、棧、全局變量、指針等；

二、基礎(chǔ)知識(shí)

既然要學(xué)習(xí)內(nèi)存的相關(guān)知識(shí)，那我們就先從計(jì)算機(jī)的內(nèi)存開始本篇的講解吧！在計(jì)算機(jī)內(nèi)存一共可以分為五個(gè)區(qū)域，其中有個(gè)區(qū)域是用來(lái)存儲(chǔ)代碼的，我們就不再進(jìn)行討論了。我們首先對(duì)這四個(gè)區(qū)域進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的了解，方便我們后面對(duì)于內(nèi)存分配的理解。

我們首先看一張內(nèi)存的組成圖：從上面的圖我們可以看出內(nèi)存區(qū)域大概可以分為五個(gè)部分：堆、棧、全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)、文字常量區(qū)。下面我們對(duì)這幾個(gè)名詞進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的講解，心里先有個(gè)概念。

棧： 棧又叫堆棧，該區(qū)域是由編譯器自動(dòng)分配自動(dòng)回收的變量的存儲(chǔ)區(qū)。通常是用來(lái)存儲(chǔ)局部變量的值、函數(shù)參數(shù)值等，是向下增長(zhǎng)的。所謂向下生長(zhǎng)的就是，先調(diào)用的棧幀的地址比后調(diào)用的地址大，棧一般大小有幾個(gè)M左右。

堆： 就是那些由程序員通過(guò)malloc函數(shù)申請(qǐng)到的內(nèi)存塊，一般我們申請(qǐng)的內(nèi)存空間系統(tǒng)是不會(huì)幫我們釋放的（當(dāng)然有些也會(huì)由系統(tǒng)釋放掉），由我們的應(yīng)用程序去控制，一般一個(gè)malloc就要對(duì)應(yīng)一個(gè)delete/free，由程序員主動(dòng)釋放。

全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))： 全局變量和靜態(tài)變量都存儲(chǔ)在這塊區(qū)域，與其余變量的明顯區(qū)別就是生命周期不一樣，在程序結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)釋放掉。

文字常量區(qū) ： 這個(gè)區(qū)域主要用來(lái)儲(chǔ)存一些我們定義的常量，例如下面的定義就會(huì)被存儲(chǔ)在文字常量區(qū)：char* p = "hello word!";。該部分也是由系統(tǒng)控制，程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放掉。

代碼區(qū)： 該區(qū)域主要用來(lái)存放程序代碼，程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

通過(guò)上面的基本概念我們已經(jīng)知道了內(nèi)存中的幾個(gè)區(qū)域，以及哪些區(qū)域是我們程序員可以手動(dòng)釋放的，哪些區(qū)域是由系統(tǒng)為我們自動(dòng)釋放的。

我們今天主要需要用到的是堆和 棧 ，因?yàn)槲覀兘裉煲懻摰膭?dòng)態(tài)內(nèi)存和靜態(tài)內(nèi)存和堆棧是密切相關(guān)的。動(dòng)態(tài)內(nèi)存是指在堆上分配的內(nèi)存，而靜態(tài)內(nèi)存是指在棧上分配的內(nèi)存。 這里也給大家貼出一張網(wǎng)上的圖片，便于大家理解上面的知識(shí)。

在這里插入圖片描述

了解完堆棧之后我們還有個(gè)知識(shí)需要了解就是指針，由于我對(duì)于指針的理解還不是特別透徹，所以有哪些說(shuō)的不對(duì)的地方大家可以在評(píng)論區(qū)指出來(lái)，我會(huì)即時(shí)進(jìn)行修改。

明明我們今天要討論的是動(dòng)態(tài)內(nèi)存和靜態(tài)內(nèi)存，為什么要了解指針呢？如果你有這樣的疑問(wèn)說(shuō)明你對(duì)于內(nèi)存或者指針的理解還不是特別到位。指針和內(nèi)存的聯(lián)系非常緊密，沒(méi)有內(nèi)存指針也將失去意義，我們對(duì)指針進(jìn)行的操作實(shí)際上就是在間接的操作內(nèi)存。但是大家需要注意指針也是有類型的，他的數(shù)據(jù)類型取決于它所指向的內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)類型。關(guān)于指針和內(nèi)存的關(guān)系我們后面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的講解。

三、為什么要使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存

有了上面基礎(chǔ)知識(shí)的加持，我們現(xiàn)在就可以回歸我們今天的主題來(lái)討論為什么我們需要?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存了！我這里先說(shuō)一下我的理解，我對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案總結(jié)出以下幾點(diǎn)，當(dāng)然這絕不是全部的原因，鄙人也是能力有限，只能理解到這種程度，更多的理解歡迎大家在評(píng)論區(qū)進(jìn)行討論！

1. 節(jié)省資源 ：用多少申請(qǐng)多少，不需要了及時(shí)進(jìn)行釋放，這樣可以避免資源的浪費(fèi)。
2. 方便儲(chǔ)存大型對(duì)象 ：大家需要注意棧區(qū)不是無(wú)限大的，對(duì)于大型項(xiàng)目如果說(shuō)有的變量都儲(chǔ)存在棧區(qū)，很可能會(huì)造成棧區(qū)內(nèi)存不夠用。
3. 方便對(duì)象的調(diào)用 ：對(duì)于較大的對(duì)象我們使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存存儲(chǔ)時(shí)我們只需要通過(guò)指針將變量首地址傳遞出去即可，而不用將整個(gè)對(duì)象都進(jìn)行傳遞。

對(duì)于上面說(shuō)的三點(diǎn)我可以給大家舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，方便大家理解：

對(duì)于第一點(diǎn)大家應(yīng)該很好理解，我用多少就申請(qǐng)多少，節(jié)省資源，但是后面兩點(diǎn)可能就不是很好理解了，這里給大家舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

你是一個(gè)開超市的，棧區(qū)就相當(dāng)于你的超市，但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果你如果把商品都放到超市，可能你的超市會(huì)裝不下那么多貨物。于是倉(cāng)庫(kù)就出現(xiàn)了，堆區(qū)就相當(dāng)于你的倉(cāng)庫(kù)。這些倉(cāng)庫(kù)和你的超市是分離的，如果你發(fā)現(xiàn)你進(jìn)了一些商品，這些商品短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)被完全賣出去，那你就可以把這些貨物放到你的倉(cāng)庫(kù)里，而你只需要記住你倉(cāng)庫(kù)的地址即可。

這樣就可以保證你的超市不會(huì)因?yàn)槎逊e太多商品而顯得擁擠，如果有人要買這些商品，你可以把倉(cāng)庫(kù)地址告訴他，他就會(huì)直接去你倉(cāng)庫(kù)拿貨。

聽過(guò)這個(gè)故事你可能更迷糊了，我下面給你梳理一下，相信你會(huì)豁然開朗！

動(dòng)態(tài)申請(qǐng)空間，能動(dòng)態(tài)確定對(duì)象所需要的內(nèi)存。

我需要多大的空間，就用多大的倉(cāng)庫(kù)存放該商品。

對(duì)于大型對(duì)象的存儲(chǔ)，棧區(qū)容不下。

我有大量的商品，都放超市太占地方?？梢苑艂}(cāng)庫(kù)中，記住倉(cāng)庫(kù)地址就行。

傳遞指針比傳遞整個(gè)對(duì)象更高效。

別人要買該商品，告訴別人我倉(cāng)庫(kù)地址，不用把整個(gè)倉(cāng)庫(kù)搬過(guò)去。

（感覺(jué)這個(gè)故事我還是沒(méi)有講好，表達(dá)能力欠佳）

知道了動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的好處后我們就可以更好的理解我們?yōu)槭裁匆褂脛?dòng)態(tài)分配內(nèi)存以及何時(shí)應(yīng)該使用動(dòng)態(tài)分配了，所以如果你進(jìn)了幾包方便面（建了個(gè)很小的對(duì)象）那你就沒(méi)必要把方便面放到倉(cāng)庫(kù)了，直接放到超市貨架上就可以了。

如果你超市比較?。ùa量比較?。┠悄阋矝](méi)必要把東西放到倉(cāng)庫(kù)了，直接放到柜臺(tái)上就可以了。所以很多問(wèn)出為什么要使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的主要原因是因?yàn)樗F(xiàn)在還沒(méi)接觸過(guò)大型項(xiàng)目，或者特別大的對(duì)象，如果你做過(guò)底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)或者上位機(jī)開發(fā)的話相信你對(duì)于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存并不會(huì)陌生的。

四、什么時(shí)候需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存

通過(guò)上面的故事我們大概也已經(jīng)知道什么時(shí)候我們需要使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存了，這里再簡(jiǎn)單的給大家做一個(gè)總結(jié)。

1、當(dāng)你的代碼量很大，需要用到很大的數(shù)據(jù)塊來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象時(shí)。2、當(dāng)你的程序中用到大數(shù)組時(shí)，你就需要用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。3、需要數(shù)組長(zhǎng)度根據(jù)程序進(jìn)行變化。4、想讓一個(gè)變量?jī)?chǔ)存的內(nèi)容不會(huì)因?yàn)楹瘮?shù)的結(jié)束而被收回（有點(diǎn)像全局變量）

這里就不得不來(lái)討論一下“傳統(tǒng)數(shù)組”的缺點(diǎn)了，傳統(tǒng)數(shù)組”就是前面所使用的數(shù)組，與動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配相比，傳統(tǒng)數(shù)組主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1. 數(shù)組的長(zhǎng)度必須事先指定，而且只能是常量，不能是變量。比如像下面這么寫就是對(duì)的：

int a[5];
而像下面這么寫就是錯(cuò)的：
int length = 5;
int a[length];  //錯(cuò)誤

2. 因?yàn)閿?shù)組長(zhǎng)度只能是常量，所以它的長(zhǎng)度不能在函數(shù)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)充和縮小。
3. 對(duì)于數(shù)組所占內(nèi)存空間程序員無(wú)法手動(dòng)編程釋放，只能在函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后由系統(tǒng)自動(dòng)釋放，所以在一個(gè)函數(shù)中定義的數(shù)組只能在該函數(shù)運(yùn)行期間被其他函數(shù)使用。

而動(dòng)態(tài)內(nèi)存就不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閯?dòng)態(tài)內(nèi)存是由程序員手動(dòng)編程釋的，所以想什么時(shí)候釋放就什么時(shí)候釋放。只要程序員不手動(dòng)編程釋放，就算函數(shù)運(yùn)行結(jié)束，動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間也不會(huì)被釋放，其他函數(shù)仍可繼續(xù)使用它。除非是整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束，這時(shí)系統(tǒng)為該程序分配的所有內(nèi)存空間都會(huì)被釋放。

所謂“傳統(tǒng)數(shù)組”的問(wèn)題，實(shí)際上就是靜態(tài)內(nèi)存的問(wèn)題。我們講傳統(tǒng)數(shù)組的缺陷實(shí)際上就是以傳統(tǒng)數(shù)組為例講靜態(tài)內(nèi)存的缺陷。本質(zhì)上講的是以前所有的內(nèi)存分配的缺陷。正因?yàn)樗羞@么多缺陷，所以動(dòng)態(tài)內(nèi)存就變得很重要。動(dòng)態(tài)數(shù)組能很好地解決傳統(tǒng)數(shù)組的這幾個(gè)缺陷。

五、如何動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存

知道了我們?yōu)槭裁匆獎(jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存之后我們一起來(lái)學(xué)習(xí)以下C語(yǔ)言中如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。在C語(yǔ)言中動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存使用的是函數(shù)malloc進(jìn)行分配的。

malloc 是一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，它是 memory allocate 的縮寫。其中memory是內(nèi)存的意思，allocate是分配的意思。顧名思義 malloc 函數(shù)的功能就是分配內(nèi)存。要調(diào)用它必須要包含頭文件 ，它的原型為：

# include 
void *malloc(unsigned long size);

由上面的函數(shù)原型我們可以看出malloc 函數(shù)只需要一個(gè)形參，并且該形參是整形的。函數(shù)返回值為一個(gè)指向所分配的連續(xù)空間的首地址的指針。當(dāng)函數(shù)未能成功分配存儲(chǔ)空間時(shí)（如內(nèi)存不足）則返回一個(gè)NULL指針。所以malloc 函數(shù)的返回值為一個(gè)指針。

由于堆區(qū)內(nèi)存也是有限的，不能無(wú)限制地分配下去，所以秉持著盡量節(jié)省資源，我們應(yīng)該在分配的內(nèi)存區(qū)域不用時(shí)，及時(shí)釋放它，以便其他的變量或程序使用。

釋放malloc 函數(shù)分配內(nèi)存的函數(shù)是free函數(shù)，free函數(shù)和malloc 總是成對(duì)出現(xiàn)的。free函數(shù)的原型如下所示：

# include 
void free(void *p);

由上面的函數(shù)原型可以看出free函數(shù)需要一個(gè)形參，且形參的類型是一個(gè)指針。free 函數(shù)無(wú)返回值，它的功能是釋放指針變量 p 所指向的內(nèi)存單元。此時(shí) p 所指向的那塊內(nèi)存單元將會(huì)被釋放并還給操作系統(tǒng)，不再歸它使用。操作系統(tǒng)可以重新將它分配給其他變量使用。

知道了申請(qǐng)和釋放要用到哪些函數(shù)后我們來(lái)一起看一下我們?cè)撊绾问褂眠@些函數(shù)來(lái)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存。

我們這里直接貼出malloc 函數(shù)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的使用語(yǔ)句：

int *p = (int *)malloc(4);

它的意思是：請(qǐng)求系統(tǒng)分配 4 字節(jié)的內(nèi)存空間，并返回第一字節(jié)的地址，然后賦給指針變量 p。當(dāng)用 malloc 分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存之后，上面這個(gè)指針變量 p 就被初始化了。

需要注意的是，函數(shù) malloc 的返回值類型為 void* 型，而指針變量 p 的類型是 int* 型，即兩個(gè)類型不一樣，那么可以相互賦值嗎？

答案是可以的，原因如下：上面語(yǔ)句是將 void* 型被強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換 成 int*型，但事實(shí)上可以不用轉(zhuǎn)換。C 語(yǔ)言中，void* 型可以不經(jīng)轉(zhuǎn)換（系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換）地直接賦給任何類型的指針變量（函數(shù)指針變量除外）。

所以int*p = (int*)malloc(4);就可以寫成 int*p=malloc(4);。此句執(zhí)行完之后指針變量 p 就指向動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的首地址了。

我們知道如何申請(qǐng)一塊內(nèi)存了，也知道何時(shí)需要申請(qǐng)內(nèi)存了，下面我們就來(lái)學(xué)習(xí)一下free函數(shù)的使用。

六、如何將動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存free掉

在講解之前有一點(diǎn)需要提醒一下大家，free函數(shù)只能釋放堆區(qū)的空間，其他區(qū)域的空間無(wú)法使用free函數(shù)的。

下面給大家貼出一段動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的程序，來(lái)給大家講解一下free的使用。

# include 
# include 
int main(void)
{
    int *p = malloc(sizeof*p);
    *p = 10;
    printf("p = %p\\n", p);
    free(p);
    printf("p = %p\\n", p);
    return 0;
}

輸出結(jié)果是：

p = 002C2ED0
p = 002C2ED0

上面的代碼和結(jié)果可以看到釋放前后，p 所指向的內(nèi)存空間是一樣的。所以釋放后 p 所指向的仍然是那塊內(nèi)存空間。

既然指向的仍然是那塊內(nèi)存空間，那么就仍然可以往里面寫數(shù)據(jù)?？墒轻尫藕笤搩?nèi)存空間已經(jīng)不屬于它了，該內(nèi)存空間可能會(huì)被分配給其他變量使用。如果其他變量在里面存放了值，而你現(xiàn)在用 p 往里面寫入數(shù)據(jù)就會(huì)把那個(gè)值給覆蓋，這樣就會(huì)造成其他程序錯(cuò)誤，所以當(dāng)指針變量被釋放后，要立刻把它的指向改為 NULL。

那么，當(dāng)指針變量被釋放后，它所指向的內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)會(huì)怎樣呢？free 的標(biāo)準(zhǔn)行為只是表示這塊內(nèi)存可以被再分配，至于它里面的數(shù)據(jù)是否被清空并沒(méi)有強(qiáng)制要求。

七、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存今天就給大家介紹到這里，自己水平也是有限，文中可能存在表述不正確的地方，希望大家發(fā)現(xiàn)后及時(shí)在評(píng)論區(qū)指出，我會(huì)及時(shí)給大家修改。如果您覺(jué)得這篇文章對(duì)您有用，記得一鍵三連哦，謝謝！另外大家如果想要學(xué)習(xí)C語(yǔ)言、Linux、嵌入式的話可以關(guān)注一下下方的名片，后臺(tái)回復(fù) “資料”即可免費(fèi)獲取全部資料。

八、參考資料

1. 郝斌C語(yǔ)言教程【年代雖已遠(yuǎn)，精華卻不減】
2. 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配詳解
3. 為什么要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存？什么時(shí)候需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存？
4. 一文讀懂 Linux 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制