【C语言进阶】C语言动态内存管理：深入理解malloc、calloc与realloc

Eternity._

发布于 2024-09-13 11:27:14

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发布于 2024-09-13 11:27:14

文章被收录于专栏：登神长阶

前言：在C语言的世界里，动态内存管理是一项既强大又复杂的特性，它赋予了程序员在程序运行时动态地分配和释放内存资源的能力。这一特性是C语言灵活性和高效性的重要基石，同时也是初学者踏入C语言高级编程领域时必须跨越的一道门槛

动态内存管理之所以重要，是因为它允许程序根据实际需要调整内存使用，从而能够处理大小在编译时无法确定的数据结构，如可变长度的字符串、链表、树等。然而，这种灵活性也伴随着风险：不当的内存分配和释放可能导致内存泄漏、野指针等严重问题，进而影响程序的稳定性和安全性

因此，掌握C语言的动态内存管理技术，对于每一个希望深入理解C语言并编写出健壮、高效程序的开发者来说，都是必不可少的。本文将带领读者从基础概念出发，逐步深入探索C语言中的内存分配函数（如malloc、calloc、realloc）和内存释放函数（如free）的使用方法，以及如何通过合理的内存管理策略来避免常见的内存问题

让我们一起踏上这段探索C语言动态内存管理奥秘的征程吧！

📒1. 动态内存分配

C语言中的动态内存分配是编程中一个非常重要的概念，它允许程序在运行时根据需要分配和释放内存空间，而不是在编译时就固定下来。这种灵活性对于处理大小未知或变化的数据结构（如链表、树、图等）尤为重要

// 我们学过的内存开辟的方式
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

这两种方式：

空间开辟大小是固定的
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配

有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了，这时候就只能试试动态存开辟了

📚2. 动态内存函数的介绍

动态内存函数是C语言中管理堆区内存的重要工具。通过malloc、calloc和realloc函数，程序可以在运行时根据需要动态地分配内存。使用完毕后，应通过free函数释放内存，以避免内存泄漏

// 头文件
#include<stdlib.h>

🌞malloc和free

malloc介绍

malloc可以向堆区申请一块连续的内存空间，空间大小为size字节

void* malloc (size_t size);

malloc文档

注意事项：

如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查
返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定
如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器
使用完毕后，应通过free函数释放内存，避免内存泄漏

free介绍

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的

void free (void* ptr);

free文档

注意事项：

如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做
free函数只释放内存，不修改ptr的值。因此，为了避免野指针问题，通常会在free后将ptr置为NULL

代码示例 (C语言)：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	// 申请一块内存
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (ptr != NULL) //判断ptr指针是否为空
	{
		for(int i = 0; i < 10; i++)
		{
			(ptr[i]) = i;
		}
	}

	free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;

	return 0;
}

注意事项：

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0
与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0
由于 calloc 需要对每个字节进行初始化，因此它比 malloc 慢一些，特别是在分配大量内存时。然而，如果你需要分配后立即清零的内存，calloc 可能是一个更好的选择

🌙calloc

calloc 函数是 C 语言标准库中的一个函数，用于动态内存分配。与 malloc 函数类似，calloc 也用于在堆（heap）上分配内存空间，但它以不同的方式处理内存初始化

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc文档

代码示例 (C语言)：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10,sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		// 使用开辟的空间
		// ...
	}

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务

⭐realloc

realloc 函数是 C 语言标准库中的一个非常有用的函数，用于动态地调整之前通过 malloc、calloc 或 realloc 函数分配的内存块的大小。

如果调整成功，realloc 会返回指向新内存块的指针，这个新内存块包含了原始数据（在可能的情况下），并且大小已经调整为新的大小
如果调整失败，realloc 会返回 NULL 指针，并且原始的内存块不会被释放，因此调用者有责任在失败时释放原始内存以避免内存泄漏

void* realloc (void* ptr, size_t size);

realloc文档

ptr 是要调整的内存地址
size 调整之后新大小
返回值为调整之后的内存起始位置
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间 要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化
情况2：原有空间之后没有足够大的空间 原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址

代码示例 (C语言)：

// 情况1：原有空间之后有足够大的空间
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (ptr != NULL)
	{
		// ...
	}

	int* a = (int*)realloc(ptr, 30);

	free(a);
	a = NULL;

	return 0;
}

代码示例 (C语言)：

// 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (ptr != NULL)
	{
		// ...
	}

	int* a = (int*)realloc(ptr, 300000);

	free(a);
	a = NULL;

	return 0;
}

📜3. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结 束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是 分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返 回地址等
堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分 配方式类似于链表
数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码

📖4. 总结

在探索C语言动态内存管理的旅程即将结束时，我们不难发现，这一领域不仅是编程技能中的一块重要基石，更是深入理解计算机系统与资源管理的一把钥匙。通过掌握malloc、calloc、realloc和free等函数的使用，我们学会了如何在程序运行时根据需要动态地分配和释放内存空间，这为编写高效、灵活且可维护的代码提供了无限可能

然而，正如任何强大工具都伴随着责任一样，动态内存管理也要求我们具备高度的责任心与严谨性。内存泄漏、野指针、重复释放等问题若处理不当，不仅会影响程序的性能，更可能导致程序崩溃或数据损坏。因此，在享受动态内存管理带来的便利时，我们更应时刻铭记其背后的风险与挑战，通过良好的编程习惯和严格的代码审查来确保内存的安全与高效使用

“动态内存管理是C语言编程中的一把双刃剑，它既赋予了我们创造无限可能的力量，也要求我们以严谨和负责的态度去驾驭它。愿每一位编程爱好者都能在这条路上越走越远，用智慧和汗水书写属于自己的编程传奇。”