周立功“程序设计与数据结构”：深度解剖动态分布内存的free()函数与realloc()函数

周立功教授数年之心血之作《程序设计与数据结构》，书本内容公开后，在电子行业掀起一片学习热潮。经周立功教授授权，本公众号特对本书内容进行连载，愿共勉之。

第一章为程序设计基础，本文为1.9.3  free()函数和1.9.4 realloc()函数。

>>>> 1.9.3 free()函数

对于程序而言，不可再访问的内存块被称为垃圾，留有垃圾的程序存在内存泄漏现象。虽然一些语言提供了垃圾收集器用于垃圾的自动定位和回收，但C语言不提供。要求每个程序负责回收各自的垃圾，方法是调用free()函数释放不需要的内存。

通常malloc()要与free()配套使用，当动态内存使用完毕时，如果不及时释放的话，必然导致“内存泄露（即内存空间减少）”，进而影响程序的正常运行。释放内存的free()函数原型如下：

void free(void *pointer);

即将malloc()返回的指针pointer作为参数传给free()释放内存。虽然free()函数允许收回不再需要的内存，但使用此函数会导致一个新的问题：悬空指针。虽然调用free(pi)函数会释放pi，但不会改变pi本身。如果忘记了pi不再指向有效内存块，那么混乱就有可能随即而来：

char *pi = malloc(5); 

free(pi);

strcpy(pi, "abc");                              // 错误

即修改了pi指向的内存是严重的错误，因为程序对此内存失去了控制权。事实上，悬空指针是很难发现的，因为几个指针可能指向相同的内存块，在释放内存块后，全部的指针都悬空了。有了free()函数，也可以用malloc()在运行时分配一块连续的内存空间，达到改变数组大小的目的。比如：

char * pi = malloc(5);

即变量pi指向已经在堆内分配的5个连续字节，好像声明了一个有5个字符的数组一样，显然动态数组就是分配在“堆”上，用指针变量引用的数组。分配动态数组的步骤如下：

● 声明一个指针变量用于保存数组变量首元素的地址；

● 调用malloc()为数组变量中的元素分配内存

● 将malloc()的结果赋给指针变量。

由于不同的数据类型占用的内存大小不一样，其大小为数组变量元素个数乘以每个元素所占内存的大小。比如，有5个int型元素的数组变量需要分配内存。比如：

int *pi = malloc(5 * sizeof(int));

和数组不同的是，当不再使用时，必须释放内存。比如：

free(pi);

如果需要10个元素才够用，那么应该先释放原内存，然后再申请新内存。比如：

free(pi); 

pi = malloc(10 * sizeof(int));

显然，存放在原内存的数据不见了，为了保留原来的数据，需要再做些工作：

int *temp = pi;                                        // 让temp指向原内存

pi = malloc(10 * sizeof(int));                 // 让pi指向新内存

memcpy(pi, temp, 5 * sizeof(int));               // 将原内存的数据拷贝到新内存

free(temp);                                              // 释放原内存

但上面的工作仅需一条语句即可完成，比如：

pi = realloc(pi, 10*sizeof(int));

由于free函数不会检查传入的指针是否为NULL，也不会在返回前将指针设置为NULL，因此程序员会创建自己的free函数，saferfree函数的接口和实现详见程序清单 1.49和程序清单 1.50。

程序清单 1.49 saferfree()函数的接口（saferFree.h）

1     #pragma once

2     void saferFree(void **pp);

程序清单 1.50 saferfreeh函数接口的实现（saferFree.c）

1     #include

2     #include

3

4     void saferFree(void **pp) 

5     {

6            if(pp != NULL && *pp != NULL)

7                   free(*pp);

8                   *pp = NULL; 

9            }

10   }

如果使用saferFree宏调用saferFree函数，则可以省略类型转换和传递指针的地址。即：

#define NewSaferFree(P) saferFree((void **)&p)

其调用形式如下：

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

NewSaferFree(pi);

>>> 1.9.4 realloc()函数

alloc是allocate分配的缩写，前缀re就是重新分配的意思。如果原内存后面还有剩余的话，realloc()只是修改分配表，还是返回原内存的地址；如果没有剩余内存的话，realloc()将申请新的内存，然后将原内存的数据拷贝到新内存中，原内存将被free()释放掉，realloc()返回新内存的地址。realloc()函数原型如下：

void *realloc(void *pointer, unsigned int size);

当调用realloc()函数时，point必须指向先前通过malloc、calloc或realloc的调用获得的内存块。size表示新分配内存的大小，以字节为单位。其作用是将pointer所指向的动态空间的大小改变为size，pointer的值不变。如果重新分配不成功，则返回NULL；如果通过malloc()已经获得了动态空间，又不想改变其大小，则可以使用realloc()重新分配。