C 中的分配内存管理

引言

在 C 语言编程中，动态分配内存的处理是一大痛点。您必须为每次分配的内存调用 malloc()。但更重要的是，当不再需要该变量时，您必须 free() 它。许多 bug 都源于对这些指令的不当处理。最理想的情况是您只是忘记了 free()。但有时，bug 会隐藏起来。例如，您覆盖了一个包含指针的变量，导致指针丢失。在 C 语言中，这还会影响程序的架构。例如，在我上一篇文章 https://codeproject.org.cn/Tips/1091150/Fast-Graph-Traversal 中，我假设存在一个包含所有节点和一个包含所有边的数组。这种在其他语言中可能无用的架构解决方案在 C 语言中是强制性的。没有办法 free() 一个图，因为根据定义，图没有根。通过我的算法，也许您可以将其分解为一棵树，但同时，您需要编写另一个程序来 free() 这个图。

预处理器

C 语言提供了一个有用的工具，称为预处理器指令。如果您想知道预处理器是做什么的，我猜您是初学者。所以我不打算给出学术定义，而是给出一个易于理解的定义。

预处理器指令是帮助程序员编写代码的工具，其附带效应是提高程序的性能。因此，如果它有助于编写代码，意味着它作用于文本形式的人类可读代码。它正是这样做的，它用另一个文本替换某个文本。它只是愚蠢地比较 string 并替换它们。为什么会提高性能？因为您也可以声明一些“函数”，这些函数称为宏，而不是使用效率较低的函数调用，它只是用您的指令替换宏。传统上，getc() 和 putc() 函数是宏，因为它们不是在处理文本中的每个字符时调用函数，而是在本地进行评估。

所以我们说这些是编写代码的工具，是为了帮助程序员，而本文的重点正是如此。帮助程序员处理变量，并在发布前检测一些错误。最好在发布时，移除所有这些指令。

我们将使用哪些指令？

#define abs(foo) (foo)>=0?(foo):(-foo) 这只是一个例子。这个宏做什么？它只是将 abs() 的每个出现都替换为相应的指令 (foo)>=0?(foo):(-foo)，请注意没有分号。因为它只是替换文本，如果您加上分号，它也会在您的代码中添加分号，但这可能是不需要的。

__LINE__ 这是一个标准的 ANSI 宏，它将单词 __LINE__ 替换为相应的行号。

__FILE__ 也同样是标准的，它将单词 __FILE__ 替换为相应的文件名（例如：FOO.h 或 main.h）。

#undef abs(foo) 停止对已定义的宏的定义。因此，从这一点开始，您的宏将不再被替换。

有时，我总觉得有一种反对预处理器指令的战争。C++ 的纯粹主义者自豪地说，这些指令将变得多余。每次听到这样的评论，我都会问自己：“你们怎么了？” 为什么要反对一个工具？为什么要反对一个旨在帮助您的工具？因为这就是宏的范围：帮助程序员。C++ 可能想要的是提供一种替代宏副作用的方法：提高性能。我们将要做的，无法通过内联函数或常量来实现。我们需要一种愚蠢地替换文本的工具。但 C++ 的内联函数并非多余。如果我有一个大函数，我不太喜欢用宏来写。例如：fast graph traversal 文章中的 next_row() 函数，我会将其声明为内联。它会被重复n 次，但为了提高可读性，我选择将其写在主函数之外，并且它太大了，无法用宏实现。

所以每个工具都有其工作范围。我真正不理解的是 const - 这完全不必要。

Using the Code

我们假设您已经声明了哈希表例程。如果您没有……那就不太好了。您必须搜索代码并编写一个。

那么范围是什么：我们将所有 malloc 调用重定向到我们的自定义函数，在该函数中我们实际分配了内存，但我们也添加了新分配的指针的地址名称，以及相应的文件和行标签。这样，我们就可以随时知道哪些变量已被分配。并且如果在每次调用 free() 时，我们 pop() 相同的变量，当调用退出例程时，应该没有人被分配。但如果有人在那里，我们就知道是谁在哪里分配的。并将您的调试简化为局部研究。

首先，重定向 malloc() （同样，您必须对处理内存的每个函数都这样做：strdup()、calloc()、realloc()，在后一种情况下，您必须弹出当前指针并添加新的）。

#define malloc(a) smalloc((a),__FILE__,__LINE__)

这会将您所有对 malloc 的调用替换为我们的自定义函数 smalloc()，它接受三个参数，而无需修改您的任何代码行。当您在发布前移除此宏时，一切将恢复正常。

我们也对 free() 做了同样的处理。

#define free(a) sfree((a),__FILE__,__LINE__)

好的，现在我们必须编写我们的函数 smalloc() 和 sfree()，但在这样做之前，我们必须将指针的地址转换为人类可读的 string。否则，就无法计算地址的哈希值。为此，我们使用了 union 的属性。它们在相同的内存“槽”中分配两个或多个变量。如果您放入一个变量，并用另一个变量访问它，您就知道当它具有另一个 datatype 时它会如何显示……（定义非常接近）。

union pointer_translator
{
	void * pointer;
	unsigned value; //if int or long depends from the architecture.
}

我们构建我们的 struct 来推入 hashtable:a。

struct file_line 
{
 	char * file;
	unsigned line;
 } 

瞧！我们写了函数。

//first we undefine the macros locally, or we are going to have a infinite loop:
#undef malloc(a)
#undef free(a)
void *smalloc(size_t sz, char *fl, unsigned l)
{
	char st[10];
	void *res=malloc(sz);
	struct pointer_translator pt;
	pt.pointer=res;
	atoi(st,pt.value,10);
	struct file_line* f_l=(struct file_line*)malloc(sizeof(struct file_line));	
	f_l->file=strdup(fl);
	f_l->line=l;	
	hadd(hshtbl, st,f_l);
	return res; 
}
//similarly for free()
void sfree(void * p, char *fl, unsigned l)
{
	char st[10];
	struct file_line *fl;
	struct pointer_translator pt;
	pt.pointer=p;
	atoi(st,pt.value,10);
	fl=(struct file_line *)hpop(hshtbl,st);
	if (!fl)	
		printf("%s %d\n",fl,l);
	destroy_fl(fl);	
	free(p);

}
//now we redifine the macros
#define malloc(a) smalloc((a),__FILE__,__LINE__) 
#define free(a) sfree((a),__FILE__,__LINE__) 

请记住，也要在哈希表代码内部取消宏的定义。

这就是全部了……祝大家 C 语言编程愉快。