Question

动态内存分配是C编程中非常重要的主题。但是，我无法找到一个很好的解释，这使我们能做什么，或者为什么需要这样做。

我们不能只声明变量和结构，而不必使用malloc（）吗？

作为旁注，有什么区别：

ptr_one = (int *)malloc(sizeof(int));

和

int *ptr_one = malloc(sizeof(int));

Answer 1

在以下情况下需要使用动态内存：

您无法确定在编译时使用的最大内存量;
您想要分配非常大对象;
您希望构建没有固定大小的数据结构（容器）;

您并不总是知道在编译时需要留出多少内存。想象一下处理一个数据文件（比如温度的时间序列），其中文件中的记录数量不固定。您可以只有10条记录或多达100000条记录。如果要将所有数据读入内存以进行处理，在读取文件之前，您将不知道要分配多少内存。如果文件的结构使得第一个值是记录数，则可以执行以下操作：

size_t recs = 0;
double *temps = NULL;

FILE *fp = fopen ( filename, "r" );
if ( fp )
{
  if ( fscanf( fp, "%zu", &recs ) == 1 )
  {
    temps = malloc( sizeof *temps * recs );
    if ( temps )
    {
      // read contents of file into temps
    }
  }
}

有时你需要分配一个非常大对象，比如

int ginormous[1000][1000][1000];

假设一个4字节的整数，这个数组将需要4GB。不幸的是，堆栈帧（其中局部变量保留在大多数架构上）往往比这小得多，因此尝试分配那么多内存可能会导致运行时错误（通常会发生）。动态内存池（也就是堆）通常多大于堆栈，更不用说任何一个堆栈帧。因此，对于令人讨厌的东西，你需要写一些像

这样的东西

int (*ginormous)[1000][1000] = malloc( sizeof *ginormous * 1000 );

这样的请求仍有可能失败;如果你的堆足够多，你可能没有足够大的单个连续块来处理请求。如果有必要，你可以做一个零碎的分配;行在内存中不一定是相邻的，但是你更有可能获得所需的所有内存：

int ***ginormous = malloc( sizeof *ginormous * 1000 );
if ( ginormous )
{
  for ( size_t i = 0; i < 1000; i++ )
  {
    ginormous[i] = malloc( sizeof *ginormous[i] * 1000 );
    if ( ginormous[i] )
    {
      ginormous[i][j] = malloc ( sizeof *ginormous[i][j] * 1000 );
      if ( ginormous[i][j] )
      {
        // initialize ginormous[i][j][k]
      }
    }
  }
}

最后，动态内存允许您构建可以在添加或删除数据时增长和缩小的容器，例如列表，树，队列等。您甚至可以构建自己的真正“字符串”数据类型，可以增长当你向它添加字符时（类似于C ++中的string类型）。

Answer 2

当您不知道内存的最坏情况要求时，需要动态分配。然后，静态分配必要的内存是不可能的，因为你不知道需要多少内存。

即使您知道最坏情况要求，仍可能需要使用动态内存分配。它允许多个进程更有效地使用系统内存。所有进程都可以静态提交最坏情况的内存要求，但这会限制系统上可以存在多少个正在运行的进程。如果从来没有所有进程同时使用最坏的情况，那么系统内存不断运行未充分利用，这是浪费资源。

关于你的副问题，你不应该把调用的结果转换为C中的malloc()。它可以隐藏缺失声明的错误（在C.99之前允许隐式声明），结果在未定义的行为。总是喜欢在没有演员的情况下取malloc()的结果。声明malloc()返回void *，而在C中，始终允许void *与另一指针类型之间的转换（模{8}等模式限定符。）

Answer 3

作为旁注，ptr_one = (int *)malloc(sizeof(int))和int *ptr_one = malloc(sizeof(int))
之间有什么区别？

请参阅this。

首先，我知道这可能是一个荒谬的问题，因为动态内存分配是C编程中非常重要的主题。但是，我无法找到一个很好的解释，这使我们能做什么，或者为什么需要这样做。

与堆栈相比，内存池（或更常见的堆）非常大。考虑这两个例子，说明为什么在堆栈上使用内存池是有用的：

1。如果您定义了一个数组并希望它在多个堆栈帧中保留，该怎么办？当然，您可以将其声明为全局变量，并将其存储在内存的全局数据部分中，但随着程序越来越大，这将变得混乱。或者，您可以将其存储在内存池中。

int *func( int k ) {
  assert( k >= 1 );

  int *ptr_block = malloc( sizeof( int ) * k );

  if ( ptr_block == NULL ) exit( EXIT_FAILURE );

  for ( int i = 0; i < k; i++ ) {
    ptr_block[ i ] = i + 1;
  }

  return ptr_block; // Valid.
}

...如果您在堆栈上定义了数组，那么不会工作。原因是，一旦弹出堆栈帧，所有内存地址都可以被另一个堆栈帧使用（并因此被覆盖），而使用内存池中的内存将持续到用户（您或客户端）free d。）。

2. 如果您想实现动态数组来处理读取任意大数字序列，该怎么办？您将无法在堆栈上定义数组，您需要使用内存池。回想一下，非常常见（并且强烈建议除非你明确需要复制结构）以将指针传递给结构，而不是结构本身（因为它们可能相当大）。考虑动态数组的这个小实现：

struct dyn_array {
  int *arr;
  int len;
  int cap;
};

typedef struct dyn_array *DynArray;

void insert_item( int const item, DynArray dyn_arr ) {
  // Checks pre conditions.
  assert( dyn_arr != NULL );

  // Checks if the capacity is equal to the length. If so, double.
  if ( dyn_arr->cap == dyn_arr->len ) {
    dyn_arr->cap *= 2;

    DynArray new_dyn_arr = malloc( sizeof( int ) * dyn_arr->cap ); // [oo]

    // ... copy, switch pointers and free...
  }

  // ... insert, increase length, etc.
}

...在第[oo]行注意到如果在堆栈上定义了这个，那么一旦弹出这个堆栈帧，就不再分配该数组的所有内存地址。意思是，另一个堆栈帧（可能是下一个堆栈帧）将使用那些内存地址（或它的某个子集）。

备注：从我的代码片段中，ptr_block存储在堆栈中：因此&ptr_block是堆栈地址，但ptr_block的值是从内存池的某个地方。

为什么或何时需要在C中动态分配内存？

3 个答案: