{0}和calloc之间的区别是什么？

Question

正如另一个问题的答案所涵盖的那样，使用聚合初始化。

struct foo {
    size_t a;
    size_t b;
};

struct foo bar = {0};

结果是内置类型被初始化为零。

使用上述方法和使用

struct foo * bar2 = calloc(1, sizeof(struct foo));

暂且不考虑一个变量是指针的事实。
通过调试器，我们可以看到上述两个示例中，a和b都被设置为零。

上述两个示例有什么区别？是否存在任何陷阱或隐藏问题？

- Etheryte

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现在我很好奇 - 如果我们用alloca替换calloc，然后接着用memset清零，会有什么显著的不同吗？ - MooseBoys

alloca 是非标准的。此外，alloca 在栈上分配内存，而不是在堆上，并且它不报告错误（分配比可用内存更多的内存具有未定义行为，并且很可能会导致程序在检测到错误之前崩溃）。 - Keith Thompson

“它不报告错误” - 调用函数也可能会导致堆栈溢出，同样不会报告错误。标准中的一个技术缺陷是它没有提供关于堆栈深度的任何保证，因此几乎没有C程序是严格符合标准的。 - Jim Balter

如果你只是在寻找初始化类型的答案，我建议你将问题更改为“{0}与memset之间的区别”，然后执行 struct foo bar2; memset(&bar2, 0, sizeof bar2);。 - M.M

那么会有任何显著的差异吗？-- 两者都将所有位设置为零，这在理论上与将它们设置为零值是不同的（请参见 Deduplicator 和 Keith Thompson 的答案）。 - Jim Balter

Answer 1

是的，除了您的struct foo对象的存储类之外，还有一个关键的区别：

struct foo bar = {0};
struct foo * bar2 = calloc(1, sizeof *bar2);

每个 bar 的成员都进行了零初始化（对于没有初始化器的子对象，或者如果 bar 是 static 或 thread_local 存储类，则填充也会被清零）， 而所有的 *bar2 都被清零，这可能会产生完全不同的结果：

空指针 (T*)0 和具有值 0 的浮点数不能保证是全零比特。事实上，只有在 C99 后的某个时候，对于 char、unsigned char 和 signed char（以及来自 <stdint.h> 的一些可选的精确大小类型），才保证所有比特为零与值 0 匹配。稍后的技术勘误为所有整数类型保证了这一点。

浮点格式可能不是 IEEE754。

（在大多数现代系统上，您可以忽略这种可能性。）

引用自 c-faq（感谢 Jim Balter 提供链接）：

Prime 50 系列至少对于 PL/I 使用 段 07777，偏移量为 0 的空指针。

- Deduplicator

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对于 struct foo bar = {0};，我不认为有任何保证填充是零。它可能会是零，因为这样实现起来更容易 - 并且在由两个 size_t 成员组成的结构中几乎肯定不会有任何填充。 - Keith Thompson

在大多数现代系统上，你可以忽略那种可能性。尽管这样的机器曾经存在过，而且可能仍然存在：http://c-faq.com/null/machexamp.html - Jim Balter

@Billy：我最初的帖子已经说过空指针和浮点0不必全部为全0位。但是，我已经完全重新表述了这个问题，所以我怀疑他实际上在引用我的第一版本 ;-). - Deduplicator

所以，为了确认我是否正确理解您的意思，{0}将结构成员设置为零值的适当位表示，而calloc则将所有位设置为零，对吗？ - Etheryte

感谢您的回答，非常感激。 - Etheryte

Answer 2

struct foo bar = {0};

这段内容描述了定义一个名为bar的struct foo类型对象，并将其初始化为零。

“零”的定义是递归的。所有整数子对象都被初始化为0，所有浮点数子对象都被初始化为0.0，所有指针都被初始化为NULL。

struct foo * bar2 = calloc(1, sizeof(struct foo));

我认为这可以更好地（但等效地）写成：

struct foo *bar2 = calloc(1, sizeof *bar2);

通过不重复类型名称，我们避免了在以后修改代码时出现不匹配的风险。

这会动态分配一个struct foo类型对象（在堆上），将该对象初始化为全零位，并将bar2初始化为指向它的指针。

calloc可能无法分配内存。如果出现这种情况，它将返回空指针。你应该始终检查它。（bar的声明也分配了内存，但如果失败，将导致栈溢出，没有好的处理方法。）

全零位并不保证与“零”相同。对于整数类型（包括size_t），几乎可以保证是一样的。对于浮点数和指针类型，0.0或NULL完全可以有一些内部表示不同于全零位。你不太可能遇到这个问题，而且由于结构体的所有成员都是整数，所以你可能不需要担心它。

- Keith Thompson

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谢谢你的回答，还有感谢你关于分配语法的提示。你能否详细说明在什么情况下你最后一段所提到的会成为一个问题？问题中展示的结构体只是一个随机的例子。 - Etheryte

在实践中，你使用的任何系统都不太可能出现问题。我认为我从未见过除了使用全零位作为空指针或浮点数0.0以外的其他C语言实现。另一方面，作为一种风格，我喜欢编写尽可能具有可移植性的代码（但不是更多）。通常情况下，更具可移植性的代码更简单，并且可以减少你的担忧。 - Keith Thompson

没有现有的实现会执行那种奇怪的操作。除了语言律师之外，可能没有其他人需要担心它。 （另一方面，指针和浮点运算符...) - Keith Thompson

区别在于栈上分配和堆上分配。其余的都是无关紧要的废话。 - littleadv

@calloc与@memset一样，将初始化所有位为0，包括任何填充。但是，“当一个值被存储在结构体或联合类型的对象中，包括成员对象时，与任何填充字节对应的对象表示的字节采用未指定的值。”-- C11 6.2.6.1第6段。通常填充字节并不重要，因此语言不会特别保证它们的稳定性。把它们看作是脆弱的。 - Keith Thompson

Answer 3

calloc函数可以为你在堆上动态分配一个零初始化的内存区域（给你的bar2）。但是自动变量（比如bar，假设它的声明在函数内部）是分配在调用栈上的。另请参见calloc(3)。

在C语言中，需要显式地free堆分配的内存区域。但是栈分配的数据在其函数返回时会被弹出。

请参阅C动态内存分配和垃圾回收的维基页面。引用计数是C和C++中广泛使用的技术，可以看作是一种GC形式。考虑循环引用，它们很难处理。 Boehm保守GC可用于C程序。

请注意，内存区域的活跃性是一个全局的程序属性。通常您不能声明某个区域属于特定函数（或库）。但是您可以采用约定。

当您编写返回堆分配指针（即指向动态存储的指针）的函数时，应记录该事实并决定谁负责释放它。

关于初始化：使用 calloc 分配的指针会被清零（当 calloc 成功时）。使用{0}初始化的自动变量也会被清零。在实践中，一些实现可能会以不同方式 calloc 大对象（例如通过向内核请求整个清零页面，例如使用mmap(2)）和小对象（通过重用先前的 free 区域并将其清零，如果可用）。清零区域是使用memset(3)的快速等效方法。 ^{PS. 我忽略了奇怪的机器，所有零位内存区域不是C标准的清除数据，即像{0}。我在实践中不知道这样的机器，即使我知道它们原则上是可能的（在理论上， NULL 指针可能不是全零字）} 顺便说一句，编译器可能会优化全零局部结构（并且可能根本不在堆栈上分配它，因为它适合寄存器）。

- Basile Starynkevitch

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如果您正在查看具有动态存储期的标准动态分配对象，则“在调用堆栈上”等同于具有自动存储期的对象。 - Billy ONeal

感谢您的回答，这个问题不是关于内存管理的一般性问题，而是关于两种初始化方法的功能差异。 - Etheryte

Answer 4

（这个回答主要涉及结构体中只包含整数类型时初始化的差异）

这两种形式都将a和b设置为0。这是因为标准定义整数类型的全零位必须表示0的值。

如果存在结构填充，那么calloc版本会设置它，但零初始化可能不会。例如：

struct foo a = { 0 }, b = { 0 };
struct foo c, d; memset(&c, 0, sizeof c); memset(&d, 0, sizeof d);

if ( memcmp(&a, &b, sizeof a) )
    printf("This line may appear.\n");

if ( memcmp(&c, &d, sizeof c) )
    printf("This line must not appear.\n");

有时您会看到一种技术（特别是在设计用于存储空间较小的系统的代码中），即使用memcmp来比较两个结构体是否相等。当结构体成员之间存在填充时，这种方法是不可靠的，因为即使结构体成员相同，填充也可能不同。

程序员不想逐个比较结构体成员，因为这会增加代码量，所以他会使用memcpy复制结构体，使用memset初始化结构体，以保留使用memcmp检查相等性的能力。

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在现代编程中，我强烈建议不要这样做；并始终使用{ 0 }的初始化形式。后者的另一个好处是没有机会出错，因为大小参数不会被错误地设置为太多或太少的内存。

- M.M

Answer 5

有一个严重的区别：自动变量的分配是在编译时完成的，并且是免费的（当堆栈帧被保留时，空间就在那里）。相反，动态分配是在运行时完成的，具有不可预测和不可忽略的成本。

关于初始化，编译器可以通过自动变量进行优化（例如，如果不必要，则不清除）；这在调用calloc时是不可能的。

如果您喜欢calloc样式，还可以选择对自动变量执行memset。

memset(&bar, 0, sizeof bar);

更新：自动变量的分配在编译时几乎完成。

- user1196549

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-1 自动变量的分配和初始化都不会在编译时发生...怎么可能呢？“使用calloc调用是不可能的”——是的，因为calloc是一个标准函数，其行为由标准规定，因此编译器可以依赖它。 - Jim Balter

我的负评是真诚和恰当的，我对它的解释也是有效的。你不欢迎它是无关紧要的，除了违背 SO 的精神之外。"如果严格来说编译器不分配内存空间"——事实上编译器不分配内存空间，它只生成分配该空间的代码。初始化也是如此。称其为"严格意义上"是在暗示说任何事情发生在运行时都是"严格意义上"的，因为编译器在编译时生成了代码。 - Jim Balter