C語言學習

動態內存分配
友情鏈接：C語言專欄

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前言：

在C語言編程中，內存管理是開發者必須掌握的核心技能之一。靜態內存分配雖然簡單易用，但在實際開發中往往無法滿足靈活多變的內存需求。動態內存分配技術為程序提供了運行時按需分配內存的能力，極大地增強了程序的靈活性和資源利用率。本文將深入講解C語言中動態內存分配的四大關鍵函數：malloc、calloc、realloc和free，通過原理分析、代碼示例和常見問題解析，幫助讀者全面掌握動態內存管理的精髓，避免內存泄漏和野指針等常見問題。

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一、為什么要有動態內存分配

咱們先來看一下咱們已經掌握的內存開辟方式有：

	int val = 10;//在棧空間上開辟四個字節char arr[10] = { 0 };//在棧空間上開辟10個字節的連續空間

但是上述的開辟空間方式有兩個特點：

空間開辟大小是固定的。
數組在申明的時候，必須指定數組的長度，數組空間?旦確定了大小不能調整

但是我們在寫代碼的時候對于空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程序運行的時候才能知道，那數組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。
C語言 引入了動態內存開辟，讓程序員自己可以申請和釋放空間，就比較靈活了。

二、malloc和free

2.1 malloc

C語言提供了?個動態內存開辟的函數：

void* malloc (size_t size);

這個函數向內存申請?塊連續可用的空間，并返回指向這塊空間的指針。

• 如果開辟成功，則返回?個指向開辟好空間的指針。
• 如果開辟失敗，則返回?個 NULL 指針，因此malloc的返回值?定要做檢查。
• 返回值的類型是 void* ，所以malloc函數并不知道開辟空間的類型，具體在使用的時候使用者自己來決定。
• 如果參數 size 為0，malloc的行為是標準是未定義的，取決于編譯器。

2.2 free

C語言提供了另外一個函數free，專門是用來做動態內存的釋放和回收的（動態申請的內存如果不再使用，必須顯式地釋放并歸還給操作系統），函數原型如下：

void free (void* ptr);

free函數用來釋放動態開辟的內存。

• 如果參數 ptr 指向的空間不是動態開辟的，那free函數的行為是未定義的。
• 如果參數 ptr 是NULL指針，則函數什么事都不做。

malloc和free都聲明在 stdlib.h 頭文件中。

代碼示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = NULL;//開辟ptr = (int*)malloc(1000000000000);//動態開辟20個字節的內存if(ptr == NULL)//判斷ptr指針是否為空（是否開辟成功）{perror("malloc:");}//使用else{int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(ptr + i) = 0;}}//釋放free(ptr);//釋放ptr所指向的動態內存，傳入的指針必須是要釋放的內存空間的起始地址。//注意：free只是將這一塊內存還給操作系統了，而對于ptr指針未作任何改變//此時，ptr就是野指針ptr = NULL;//即將野指針置空return 0;
}

三、calloc和realloc

3.1 calloc

C語言還提供了一個函數叫calloc， calloc 函數也用來動態內存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

參數解釋：

為 num 個大小為 size 的元素開辟?塊空間，并且把空間的每個字節初始化為0。

與函數 malloc 的區別：

只在于 calloc 會在返回地址之前把申請的空間的每個字節初始化為全0

舉個例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//開辟10個空間大小為int的內存空間if (NULL != p)//判斷p指針是否為空（是否開辟成功）{int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){//咱們并未主動賦值//直接打印printf("%d ", *(p + i));}}free(p);p = NULL;return 0;
}

輸出：

所以如果我們對申請的內存空間的內容要求初始化，那么可以很?便的使?calloc函數來完成任務。

3.2 realloc

realloc函數的出現讓動態內存管理更加靈活。
有時會我們發現過去申請的空間太小了，有時候我們又會覺得申請的空間過大了，那為了合理的時候內存，我們?定會對內存的大小做靈活的調整。那 realloc 函數就可以做到對動態開辟內存大小的調整。
函數原型如下：

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

參數解釋：

ptr 是要調整的內存地址
size 調整之后新大小
返回值為調整之后的內存起始位置。

那咱們就會有疑問，為什么返回值是調整之后的內存起始位置，起始位置不是一直沒變嗎，其實不是這樣的，
realloc在調整內存空間的是存在兩種情況：

• 情況1：原有空間之后有足夠夠大的空間
• 情況2：原有空間之后沒有足夠大的空間

圖示：

情況1：
當是情況1 的時候，要擴展內存就直接原有內存之后直接追加空間，原來空間的數據不發?變化。
情況2：
當是情況2 的時候，原有空間之后沒有大小夠多的空間時，擴展的方法是：在堆空間上另找?個合適大小的連續空間來使用。這樣函數返回的是?個新的內存地址。
情況2圖示：

知道了上述的兩種情況，realloc函數的使用我們就要注意?些要點了。
看代碼：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//……}else{perror("malloc");}//擴展容量為1000個字節//完善代碼//……return 0;
}

那咱們可以這樣寫嗎：

	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);

不行，堅決不允許。
解釋：

直接將realloc的返回值放到ptr中的話，如果realloc函數申請失敗則會返回NULL，此時會使得ptr為NULL。
就是會導致：

1. 內存泄漏（原內存無法釋放）
2. 無法訪問原有數據

正確怎么寫呢？
我們先將realloc函數的返回值放在p中，當p不為NULL，再放ptr中：

	int* p = NULL;p = (int*)realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}

這樣是沒有問題的。
那怎么把上面代碼總結一下,完整的如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//使用……}else{perror("malloc");return 1; // 直接退出，避免后續操作}//擴展容量//先將realloc函數的返回值放在p中，不為NULL，在放ptr中int* p = NULL;p = (int*)realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}//使用……//釋放free(ptr);ptr = NULL;// 防止野指針（良好習慣）return 0;
}

所以，咱們要知道：
malloc、calloc 和 realloc 在內存分配失敗時都會返回 NULL。

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總結

良好的內存管理習慣不僅能避免程序崩潰和內存泄漏，還能提高代碼的健壯性和可維護性。記住：動態分配的內存就像借來的書，用完后一定要記得歸還（釋放）！
對于這一部分內容，不難，但是容易出錯，后續我會關于易錯點等等再出一篇文章，幫助大家理解，謝謝觀看至此！！！

附錄

上文鏈接

《聯合體完全指南：內存共享、大小計算與實戰應用》

下文鏈接

《動態內存分配避坑指南：六大易錯點解析與經典筆試題實戰》

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