C中的malloc与数组

Question

我正在参加哈佛大学的公开在线课程CS50。我上一堂课是关于内存分配和指针（这两个概念对我来说绝对是新的）。

教导的是malloc(10*sizeof(char)) 在堆上分配足够的字节来存储 10 个字符并返回指向第一个字节的指针，该指针可以保存在另一个变量中，如下所示char *x = malloc(10*sizeof(char))。要释放内存，可以使用free(x)。

但是还有另一种方法可以让计算机保留足够的内存来存储 10 个字符，即char c[10]。

1. 在c上面的代码sn-p中也是char*类型的指针吗？
2. char c[10] 是否也像malloc 那样在堆上保留内存？
3. 分配内存的方法是否等效？
4. char c[3] = "aaa";free(c); 返回运行时错误；所以看来我无法释放我用char c[3] 分配的内存。这是为什么呢？

我非常感谢为刚刚了解指针的人量身定制的答案。

Answer 1

所教的是malloc(10*sizeof(char)) 分配了足够的 堆上的字节来存储 10 个字符并返回一个指向 第一个字节可以保存在另一个变量中，如下char *x = malloc(10*sizeof(char))。要释放内存，可以使用free(x)。

“在堆上”是一个实现概念，而不是 C 语言概念。 C 语言本身并不关心将内存划分为具有不同特征的单独区域，事实上，任何给定的 C 实现都不一定会这样做。

即使在介绍性课程中——也许尤其是在介绍性课程中——使用 C 语言概念比使用某种实现风格的原生概念更好。本例中相关的 C 语言概念是storage duration：

对象具有决定其生命周期的存储持续时间。有四种存储持续时间：静态、线程、自动和分配。

(C2011, 6.2.4/1)

malloc() 调用分配的对象，(in) 指针 x 指向的对象，具有“已分配”持续时间。这意味着它的生命周期一直持续到通过调用free() 释放该对象。请注意这里变量x（具有自动存储持续时间的指针）与x 最初指向的对象（大小为10 chars 的无类型对象）之间的区别。

还有（很多）更多，但您旅程中的这一点对于深入研究标准还为时过早。不过，我发现这种表征对于解决诸如您提出的问题更有用。

但是还有另一种方法可以让计算机保留足够的内存 存储 10 个字符，即char c[10]。

是的，没错。

1. c上面的sn-p代码中是否也是char*类型的指针？

没有。在该声明的范围内，标识符 c 指的是 10 个 chars 的数组。数组和指针之间有着密切的关系，但它们根本不是一回事。这是至关重要的一点，也是许多新的 C 程序员绊倒的一点，所以我重复一遍：数组和指针不是一回事。然而，这些细节将构成一个完全不同的答案，而且你已经可以在 SO 上找到好几次了。

换句话说，标识符c 指定x 的值可以指向的一种事物，但请记住x 的（指针）值与其指向的对象不同.

1. char c[10] 是否也像 malloc 那样在堆上保留内存？

如果您的 c 声明出现在函数中，则它声明了一个具有自动存储持续时间的数组。这意味着数组的生命周期一直持续到标识符c 超出范围。该数组的存储位置是实现的关注点，但在提供堆/堆栈区分的实现上，存储很可能位于堆栈上，而不是堆上。

1. 分配内存的方法是否等效？

没有。 malloc() 分配具有已分配存储持续时间的对象，程序负责显式管理其生命周期。另一个分配一个具有自动存储期限的对象，其生命周期由标识符的范围决定。

4. char c[3] = "aaa";free(c); 返回运行时错误；所以看来我无法释放我用 char c[3] 分配的内存。为什么 是吗？

最直接的，是因为free()函数的规范明确说

[I]如果参数与内存先前返回的指针不匹配 管理功能，或者如果空间已通过调用释放 free 或 realloc，行为未定义。

(C2011, 7.22.3.3/2)

也就是说，如果您尝试释放指向具有自动持续时间的对象的指针，该标准不需要运行时错误（或任何特定的其他行为），但它明确否认您可以通过这种方式释放内存的任何承诺。

但我认为，一个更令人满意的答案是free() 是您如何标记具有分配存储持续时间的对象的生命周期结束，而不是具有自动（或其他）持续时间的对象。对象的存储位置（例如堆栈 vs. 堆）是辅助的。

Answer 2

1. c上面的sn-p代码中是否也是char*类型的指针？

不，不是。它是一个由十个 char 组成的数组。

但是，当在需要指针的上下文中使用数组的名称时，可以将其转换为指针，因此可以像指针一样有效地使用。

1. char c[10] 是否也像 malloc 那样在堆上保留内存？

没有。堆和堆栈也不是完全准确的术语，但我不会进一步展开。

malloc() 所做的根据标准称为“动态内存分配”。

char c[10]; 的行为取决于上下文。

• 如果它在块范围内（在一对{} 内），它会创建一个自动存储持续时间数组。就您的程序而言，当范围退出时（例如，如果函数返回），该数组将不复存在。
• 如果它在文件范围内（在函数之外），则它会创建一个静态存储持续时间数组。该数组将被创建一次，并继续存在直到程序终止。

1. 分配内存的方法是否等效？

不。

char c[3] = "aaa";free(c);返回运行时错误；所以看来我无法释放我用 char c[3] 分配的内存。这是为什么呢？

因为 free() 仅在将指针传递给动态分配的内存时具有定义的行为 - 即由 malloc()、calloc() 或 realloc() 或 NULL 指针返回（这导致 free() 什么都不做)。

c 是一个静态或自动存储持续时间的数组，具体取决于上下文，如上所述。它不是动态分配的，因此将其传递给 free() 会产生未定义的行为。一个常见的症状是运行时错误，但不是唯一可能的症状。

Answer 3

句法注意事项：

首先c和x的类型是不同的：x的类型是你所期望的char*，而c的类型是char[10]，它是一个数组十个字符元素。

因此，x 和c 不能完全等价：当您说x 时，编译器只是认为单个char 的单个地址。但是，当您说c 时，编译器会考虑整个数组对象及其所有十个char 元素。因此，代码

printf("sizeof(x) = %zd\n", sizeof(x));
printf("sizeof(*x) = %zd\n", sizeof(*x));
printf("sizeof(c) = %zd\n", sizeof(c));

将打印

sizeof(x) = 8
sizeof(*x) = 1
sizeof(c) = 10

在 64 位机器上。 sizeof(x) 给出了存储地址所需的字节数，sizeof(*x) 给出了指针 x 指向的字节数，sizeof(c) 给出了存储一个完整的十个数组所需的字节数char元素。

那么，为什么我几乎可以在任何可以在 C 中使用 x 的地方使用 c？

这个技巧称为数组指针衰减：每当您在需要指针的上下文中使用数组时，编译器都会默默地将数组衰减为指向其第一个元素的指针。 C 中只有两个地方可以实际使用数组。第一个是sizeof()（这就是sizeof(x) != sizeof(c)的原因），第二个是地址运算符&。 在所有其他情况下，c 的任何使用都会调用数组指针衰减。这包括像 c[3] 这样的东西。该表达式被定义为等效于*(c+3)，因此编译器将数组c 衰减为指向其第一个元素的指针，然后应用指针算术c+3，然后取消引用结果指针。听起来很复杂，令人难以置信，但具有访问数组第四个元素的预期效果。

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不管怎样，抛开语法上的考虑，让我们看看实际的内存分配：

1. malloc() 保留给定大小的内存块，并且该块一直有效，直到您在 malloc() 返回的指针上调用 free()。

   这与程序中的控制流无关：函数可以将malloc() 的结果返回给它的调用者并让调用者释放它。或者它可能会将malloc() 的结果传递给其他释放它的函数。或者它可能会将结果返回给它的调用者，然后调用者将它传递给其他函数以释放它。或者结果可能会在某个其他内存对象中存储一段时间。等等等等。可能性与世界各地正在编写的源代码一样多种多样。

   必须强调的是，释放指针后使用是一个很大的错误。如果这样做，就C标准而言，可能会出现粉红色的大象并将您踩死。作为程序员，你的工作是确保每个 malloc 的指针都被释放一次。如果你不这样做，那么，所有的赌注都被取消了。

2. 如果你说

   char c[10];
   

   在文件范围内（函数或struct 定义之外），您正在声明一个全局变量。该数组将在 main() 被调用之前一直存在，直到您的进程死亡（通过从 main() 返回，或通过执行 exit()）。

3. 如果你说

   char c[10];
   

   在一个函数中，你声明了一个局部变量。该数组在其声明执行时开始存在，并在封闭块的末尾（一对大括号 {} 之间的部分）停止存在。

   因此，分配和解除分配与程序的控制流密切相关。

4. 如果你说

   char c[10];
   

   在struct 的定义中，您声明了一个成员变量。只要封闭对象（struct）存在，这个数组就会存在。如果封闭对象是全局的，则数组的生命周期是全局的，如果封闭对象是局部的，则数组的生命周期是局部的，如果封闭对象是其他对象的成员，则数组的生命周期是另一个对象的（这是递归的）。

Answer 4

"char c[10];"在本地堆栈或加载程序时创建的全局数据区域中保留空间，就程序而言，它是不是堆内存（对于操作系统，它可能不同） .

当在表达式中使用时，数组会衰减为指向其第一个元素的指针（例如，下面是这样工作的）：

您不能释放使用类型 var[size] 语法声明的数组，因为它要么是当前函数的本地函数，要么是整个程序的全局变量。堆内存不会以这种方式绑定到任何特定的上下文（用于引用堆内存的变量是但不是指向的内存）。