malloc 和 free

第 20 课，共 30 课 · 第 4 部分 · 内存 · 约 15 分钟

上一课在堆上要过内存。这一课把 malloc 和 free 讲清楚：要多少字节、要不到怎么办、拿到的内存里有什么、什么时候还。先看一个完整的例子：在堆上放 5 天的气温。

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int *temps = malloc(5 * sizeof(int));6    if (temps == NULL) {7        printf("内存不够\n");8        return 1;9    }10    for (int i = 0; i < 5; i++) {11        temps[i] = 20 + i;12    }13    printf("第一天 %d 度，最后一天 %d 度\n", temps[0], temps[4]);14    free(temps);15    temps = NULL;16    return 0;17}

输出

第一天 20 度，最后一天 24 度

用堆上的内存，总是这四步：

步骤	这里的写法
要：算好字节数，调用 `malloc`	`malloc(5 * sizeof(int))`
查：看看是不是 `NULL`	`if (temps == NULL)`
用：像数组一样用下标	`temps[i] = 20 + i;`
还：用完 `free`	`free(temps);`

点单步：走过第 5 行，堆里出现一个「20 字节」的块，从 temps 画过去一根箭头；循环每转一圈，块里多一个数；走过 free，块变成灰色，标着「已释放」。最后一行把 temps 设成 NULL，箭头也没了，下一课讲为什么要这样做。

要多少字节

malloc 只认字节数，不知道你要放什么。要放 n 个某种类型的值，就写 n * sizeof(类型)。sizeof(int) 在这里是 4，sizeof(double) 是 8：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int count = 3;6    double *prices = malloc(count * sizeof(double));7    prices[0] = 4.5;8    prices[1] = 12.0;9    prices[2] = 3.25;10    double total = 0;11    for (int i = 0; i < count; i++) {12        total += prices[i];13    }14    printf("%zu 字节，合计 %.2f\n", count * sizeof(double), total);15    free(prices);16    return 0;17}

输出

24 字节，合计 19.75

（这一节和下一节的几个例子为了短，没写检查 NULL；自己的程序里要写。）

只写个数、忘了乘 sizeof，是很常见的错：malloc(3) 只要了 3 个字节，连一个 int 都放不下。

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int *steps = malloc(3);6    steps[0] = 4200;7    steps[1] = 6100;8    printf("%d\n", steps[1]);9    free(steps);10    return 0;11}

输出

heap-buffer-overflow

发生了什么： 停在第 6 行：越过了 malloc 来的这一块（3 个字节）的末尾（越界了）。

真的 C 不会提醒你，多写的字节会盖到别的东西上，程序可能过一会儿才出怪事。我们的引擎在第 6 行就停下了：这一块只有 3 个字节，放一个 4 字节的 int 已经越界。点「看看是怎么出错的」，看堆上那个「3 字节」的块。

小技巧： 也可以写 malloc(3 * sizeof *steps)：*steps 是一个 int，sizeof *steps 就是 4。以后把 int 改成 double，这一行不用跟着改。

先猜一猜

单步走过第 5 行，堆上的块标着多少字节？

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    double *weights = malloc(4 * sizeof(double));6    for (int i = 0; i < 4; i++) {7        weights[i] = 60.5 + i;8    }9    printf("%.1f\n", weights[3]);10    free(weights);11    return 0;12}

一个 double 占 8 个字节，要 4 个，就是 4 × 8 = 32 字节。malloc 拿到的只是 32 这个数，它不知道你要放 4 个 double。

输出

检查 NULL

内存不是无限的。malloc 要不到那么多时，返回 NULL。拿到以后先检查，再用：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    char *big = malloc(100000000000);6    if (big == NULL) {7        printf("要不到 100 GB\n");8        return 1;9    }10    big[0] = 'A';11    free(big);12    return 0;13}

输出

要不到 100 GB

一次要 100 GB，一般的电脑给不了，malloc 返回了 NULL，程序显示一句话就结束了。不检查的话，big[0] = 'A'; 就是往 NULL 里写，程序会崩溃。return 1; 告诉系统：程序没有顺利结束。

malloc 返回的类型是 void *，意思是「一个地址，不说里面放什么」。在 C 里，它可以直接存进 int *、double *、char * 这些指针，不用写别的。

拿到的内存里有什么

malloc 只管找一块地方，不管里面是什么。块里原来是什么就还是什么，和没赋值的变量一样（第 2 课）：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int *counts = malloc(3 * sizeof(int));6    counts[0] = 5;7    printf("%d %d\n", counts[0], counts[1]);8    free(counts);9    return 0;10}

输出

use of uninitialized value

发生了什么： 停在第 7 行：这块内存还没有赋值就被用了。真 C 里这会是一个乱数（每次运行都可能不一样）。

counts[1] 还没赋过值。真的 C 会显示一个说不准的数，每次运行都可能不一样；我们的引擎在第 7 行停下来告诉你。

calloc：要来就是 0

要一块全是 0 的内存，用 calloc。它要两个参数：几个、每个多少字节。它会把整块清成 0：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int votes[8] = {2, 0, 1, 2, 2, 0, 1, 2};6    int *counts = calloc(3, sizeof(int));7    for (int i = 0; i < 8; i++) {8        counts[votes[i]]++;9    }10    for (int i = 0; i < 3; i++) {11        printf("%d 号：%d 票\n", i, counts[i]);12    }13    free(counts);14    return 0;15}

输出

0 号：2 票
1 号：2 票
2 号：4 票

计数要从 0 开始，calloc 正合适。点单步，走过第 6 行，堆上的块是「12 字节」，三格都是 0；之后每投一票，就有一格加 1。

用完就 free

free(p) 把 p 指着的块还回去，以后这块内存可能分给别人用。几条规矩：

每个 malloc 或 calloc 来的块，最后都要 free 一次，只能一次；
free 的必须是 malloc 或 calloc 给你的那个地址，不能是普通变量的地址；
free 以后，块里的东西不能再碰；
free(NULL) 什么也不做，是安全的。

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int *a = malloc(2 * sizeof(int));6    int *b = malloc(4 * sizeof(int));7    a[0] = 1;8    b[0] = 2;9    printf("%d %d\n", a[0], b[0]);10    free(a);11    free(b);12    return 0;13}

输出

1 2

点单步：堆上先后出现两个块，一个「8 字节 · 第 5 行」，一个「16 字节 · 第 6 行」。走过第 10 行，第一个块变灰；走过第 11 行，第二个也变灰。程序结束时，堆上没有还没还的块。违反上面这些规矩会怎样，下一课一个一个看。

练一练

写好代码，点检查。提示随便看，实在想不出来再看答案。

练习 1

平均分

在堆上要 4 个 int，检查是不是 NULL，放进 78、85、90、77，显示 平均分：82.50，最后 free。

要显示

平均分：82.50

exercise1.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5 6    return 0;7}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 2

数骰子

rolls 里是 10 次掷骰子的结果（1 到 6）。用 calloc 要 7 个 int 当计数器（下标 1 到 6 用来计数），数完显示每个点数出现了几次，格式是 1：2，每个一行，最后 free。

要显示

1：2
2：1
3：2
4：1
5：1
6：3

exercise2.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int rolls[10] = {3, 6, 1, 3, 5, 6, 6, 2, 1, 4};6 7    return 0;8}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 3

修好它

这段程序要了内存，可是一用就越界。改好 malloc 那一行，让它显示 9.5 7.0 8.5。

要显示

9.5 7.0 8.5

exercise3.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    double *ratings = malloc(3);6    if (ratings == NULL) {7        return 1;8    }9    ratings[0] = 9.5;10    ratings[1] = 7.0;11    ratings[2] = 8.5;12    printf("%.1f %.1f %.1f\n", ratings[0], ratings[1], ratings[2]);13    free(ratings);14    return 0;15}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

这一课学会了

malloc(n * sizeof(类型)) 在堆上要 n 个值的地方，返回块的地址；malloc 只认字节数。
要不到时 malloc 返回 NULL：拿到先检查，再用。
malloc 给的内存没有清零，先赋值再用；要全是 0，用 calloc(个数, 每个的字节数)。
用完 free：每块一次，只能 free malloc / calloc 给的地址，free(NULL) 什么也不做。
单步时堆上每个块都标着字节数和是哪一行要来的；free 以后它变灰，标着「已释放」。