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Rain
September 21, 2024
在前一篇我們介紹的陣列(Array)中，舉的範例是以靜態配置的方式來宣告陣列，在本篇我們即將介紹什麼是動態記憶體配置(Dynamic Memory Allocation)。
動態記憶體配置指的是，我們可以在程式中任意變動已向系統要求的記憶體，例如調整大小、釋放記憶體等等。
另外還有一個重點是，動態配置的記憶體，其有效範圍和全域變數一樣，因為它們都被存放在 Heap 當中，有興趣想先了解這個原理的讀者可以 Google 搜尋關鍵字 Heap and Stack。
首先我們先來介紹用 malloc 和 memset 標準函式來配置陣列，malloc 函式是向系統請求單一塊記憶體空間，其空間大小可由設計者指定，但空間中的
變數沒有預設值，需搭配 memset 函式來對這空間進行預設值配置。
我們先來看看它的語法:
void main (int argc, char* argv[]) {
int *ptr = nullptr; // 或是你也可以不用預設值(nullptr) -> int * ptr;
int size = 100;
ptr = (int*)malloc(size * sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory allocation failed!\n");
return;
}
memset(ptr, 0, size * sizeof(int));
}
首先，在一開始的變數定義中，假設我們需要配置一個整數陣列，那麼我們會需要用一個整數指標 ptr 作為開頭，而不是直接向上一篇範例那樣直接地宣告陣列，這樣就變成靜態配置了。我們需要用這個指標去指向動態配置的記憶體位址，然後定義記憶體大小，如上例為 100 個變數，接著就調用 malloc 函式來配置記憶體。
在 malloc 這行程式碼，我們需要在 malloc 函式前特別標上 (int*)，這是在告訴程式當 malloc 配置完成之後，請把指標轉換成 int 整數型指標，因為 malloc 函式不會知道我們要配置的空間是給什麼樣子的資料型態，它只是很單純地配置空間而已，因此 malloc 返回的指標須由設計者自行標示轉換，而在 malloc 我們給予的參數就是記憶體配置的大小。這行程式碼結束之後，為了確定我們的記憶體請求是否有成功，可以用判斷式來判斷指標是否為空(NULL 或 nullptr)，
若請求成功之後，再調用 memset 函式進行初始值配置，參數分別是記憶體指標、預配置值(預設值)、預配置的空間大小。
接下來，除了 malloc 函式可以動態配置記憶體之外，還有另一個 calloc 函式也能進行動態記憶體配置，它是由數個區塊組合而成的記憶體空間，並且內部會做預設值為 0 的動作。
我們先來看看它的語法:
void main (int argc, char* argv[]) {
int *ptr = nullptr;
int size = 100;
ptr = (int*)calloc(size, sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory allocation failed!\n");
return;
}
}
calloc 函式語法和 malloc 很類似，差別在於參數個數不是一個，而是拆開成"變數個數"和"單個變數所占記憶體"。如前述，由於內部已經會做預設值 0 的動作，因此我們就不需要用 memset 函式來進行預設值配置。
如本篇簡介提到，動態配置的特性是可以變動已向系統要求的記憶體空間，現在我們可以用 realloc 函式進行記憶體空間大小的調整，如下範例:
void main (int argc, char* argv[]) {
int *ptr = nullptr;
int size = 100;
ptr = (int*)calloc(size, sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory allocation failed!\n");
return;
}
size = 200;
realloc(ptr, size * sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory re-allocation failed!\n");
return;
}
}
realloc 的參數有兩個，第一者為指向記憶體空間的指標，第二為調整後記憶體大小。我們在範例中先配置了 100 個變數空間之後，隨即馬上再將此空間調整為 200 ，你可以會有疑問，若原本的空間已經有存放了一些變數在裏頭，那麼它們會被清掉嗎? 答案是不會的，realloc 會保留原先空間的變數值，並且擴展設計者所指定的空間大小。
動態配置及空間大小調整介紹完之後，我們接下來要來看看如何用這個指標來走訪記憶體內的變數。我們可以用兩種方式來走訪，先來看看下面的範例:
void main (int argc, char* argv[]) {
int *ptr = nullptr;
int size = 10;
ptr = (int*)calloc(size, sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory allocation failed!\n");
return;
}
// 第一種方式走訪並將所有變數給定為 1
for (int i = 0 ; i < size ; i++) {
ptr[i] = 1;
}
size = 20;
realloc(ptr, size * sizeof(int));
if (!ptr) {
printf("Memory re-allocation failed!\n");
return;
}
// 第二種方式走訪並輸出各個變數的值
for (int i = 0 ; i < size ; i++) {
printf("%d ", *(ptr+i));
}
}
首先，第一種是像陣列表示一樣，用方括號框住索引(index)來走訪，如上例，邊走訪邊配置值給各個變數。第二種方式是用取值表示法的方式，在上例中我們是將值輸出，要特別注意的是，括號的範圍有很大的意義差異，看看下面範例:
*(ptr + i) // 將指標從初始位址移動到第 i 個位置後，再取出該記憶體位址的值
*(ptr + i) == ptr[i] // 同上，與陣列表示式相同
*ptr + i // 取出 ptr 記憶體位址的值，再加上 i 值
*(ptr) + i // 同上，取出 ptr 記憶體位址的值，再加上 i 值
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