【C语言】动态内存管理之4个内存函数`malloc`,`free`,`calloc`和`realloc`深度了解

简介: 【C语言】动态内存管理之4个内存函数`malloc`,`free`,`calloc`和`realloc`深度了解

📝前言

本小节,我们学习动态内存管理:为什么要有动态内存分配?4个动态内存开辟函数:mallocfreecallocrealloc,这些C标准库中的内存管理函数都声明在在 stdlib.h头⽂件中。干货满满!学习起来吧😃!

🌠 为什么要有动态内存分配?

程序运行时不确定需要多少内存空间。在编译期无法确定程序运行期间需要分配多大的内存块。这就需要在运行时动态申请和释放内存。

我们已经学习内存开辟方式有:

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
int main()
{
  int n = 0;//在栈空间给变量开辟4个字节
  char ch = 'a';//在栈空间给变量开辟1个字节空间

  //数组 
  int arr[10] = {0};//在栈空间开辟10个字节的连续空间


  return 0;
}

但是这两种开辟的空间的方式具有局限性:

  • 空间开辟⼤⼩是固定的
  • 数组在申明的时候,必须指定数组的⻓度,数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整,如数组里的arr[10]的10不能随时更改

这是内存大致分类图:

但是对于空间的需求,不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运的时候才能知道,那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。接下来,我们学习怎么一步一步分配空间吧!

🌉malloc

malloc函数是动态内存分配的基础函数(从堆内存中动态分配指定大小的内存块,并返回指向内存块的指针)。

函数原型:

void *malloc(size_t size);
size_t size - 要分配的内存块大小,单位是字节。

分析函数原型例子:

int main()
{
  //int arr[10]//
  p = malloc(40);
  return 0;
}

为什么要用void * 接收类型?malloc分配40个字节空间,p存放的是分配空间的首地址,malloc只知道申请多大的空间,但是不知道会放什么类型数据,所以malloc函数就只能返回void*,当使用void*时,也就是void* p = malloc(40),但是void*指针是不能++--的解引用操作,可是我们在分配空间时,作为程序员,你想用什么类型,就分配什么类型就可以了。

比如:

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  return 0;
}

图解:

返回值:

如果分配成功,malloc返回指向内存块的void指针。

如果失败(如没有足够的可用内存),返回NULL

使用malloc分配的内存需要使用free函数释放,否则会造成内存泄漏

重点:

  • malloc分配的内存不会被初始化,内容是未定义的。



  • 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 size0malloc的⾏为是标准是未定义的,取决于编译器。

一般使用步骤:


1. 调用malloc分配指定大小的内存

2. 检查返回值是否为NULL

3. 使用分配到的内内存

4. 调用free释放内存

例子:

#include <stdlib.h>

int main()
{
  //int arr[10];//
  //1. 调用malloc分配指定大小的内存
  int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
  if (p == NULL)//2. 检查返回值是否为NULL
  {
    perror("malloc");//打印错误信息
    return 1;
  }
  //
  int i = 0;
  //使用 - 给数组赋值
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  //打印
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));
  }

  //释放空间
  free(p);
  p = NULL;

  return 0;
}

输出:

🌠free

free函数用于释放之前通过malloccalloc或realloc分配的内存块。

free原型:

void free(void *ptr);
void *ptr - 要释放的内存块的起始地址。
这个地址必须是之前通过malloc、calloc或realloc成功分配的地址。

free函数⽤来释放动态开辟的内存。

  • 释放ptr指向的内存块,使得操作系统可以重新利用该内存。
  • 如果ptrNULL或非动态内存地址,free函数不会产生错误,但也不会有任何效果。
  • free没有能力将ptr置为空指针,因此需要我们手动设置NULL。

📌小知识:为什么free没有能力将ptr置为空指针?

C语言采用传值调用,形参是实参的一份临时拷贝,函数内只能操作形参,无法直接修改实参。free的形参是ptr,它无法直接修改调用函数内的ptr变量。free的功能只是释放ptr指向的内存块,它不负责跟踪或者修改调用者的内存使用情况。将ptr置NULL需要由调用者自己负责。如果free修改ptr,可能会造成调用者难以跟踪内存,增加使用错误的风险。例如内存泄漏无法及时发现。所以free后不使用了,要记得置为NULL

例子:

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

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//使用malloc分配的内存块

    if (ptr == NULL) 
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }

    // 使用ptr指向的内存
    for (int i = 0; i < 10; i++) 
    {
        ptr[i] = i;
        printf("ptr[%d] = %d\n", i, ptr[i]);
    }

    printf("Finished using the memory, free it now:\n");

    free(ptr);
    ptr = NULL;
    printf("Memory freed!\n");

    // 释放后ptr指针不再有效
    //ptr[0] = 100; //会出错

    return 0;
}

输出:

🌉calloc

calloc 函数也⽤来动态内存分配, calloc会给申请的每个字节初始化为0,而malloc不会初始化内存。

calloc函数原型:

void *calloc(size_t num, size_t size);
- num:要申请的内存块的个数
- size:每个内存块的大小,以字节为单位

例如:

int *p = (int *)calloc(10, sizeof(int));
这段代码会给10个int类型(每个int占4字节)的内存块数组申请空间,
每个int内存将被初始化为0。
  • 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为0

例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (NULL != p)
  {
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
      printf("%d ", *(p + i));
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

输出:

🌠 realloc

realloc函数用于重新分配内存块的大小

realloc函数原型:

void *realloc(void *ptr, size_t size);
 - ptr:要重新分配内存的指针,它必须指向以前通过malloc/calloc/realloc分配的内存块。
 - size:要重新分配的内存块大小,以字节为单位。

返回值为调整之后的内存起始位置。

使用起来看看:

 int main()
{
  //使用calloc动态申请10个int类型的内存
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }

  //打印原始10个内存元素,由于calloc初始化都为0,所以打印全为0
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));
  }

  //空间不够,想要扩大为20个int类型
  int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));

  //空间不够,想要扩大为40个int类型
  //int* ptr = (int*)realloc(p, 40 * sizeof(int));

  if (ptr != NULL)
  {
    //realloc成功,ptr指向新的内存地址,更新p指针
    p = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }

  //使用了扩充后的内存空间

  //释放动态申请的内存
  free(p);
  p = NULL;

  return 0;
}

输出:

使用是用了,但是他是怎么拓展空间的呢?有没有什么要注意的呢?

realloc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,并且把数据拷贝过去,这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

情况2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,返回的是旧的起始地址

当然realloc也可以相当于malloc

如果参数ptrNULL,那么realloc就等同于malloc,它会分配指定大小的内存块

 // ptr为NULL,相当于malloc
  int* p = (int*)realloc(NULL, sizeof(int) * 10);

  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }

🚩总结

这次阿森和你一起学习了声明在stdlib.h头文件中的4个内存管理函数malloc(), free(), calloc()realloc()

malloc() - 分配内存块 - void* malloc (size_t size);

free() - 释放内存块 - void free (void* ptr);

calloc() - 分配并清零初始化内存块 - void* calloc (size_t num, size_t size);

realloc() - 重新分配内存块大小 - void* realloc (void* ptr, size_t size);


阿森将下一节和你一起学习常见动态内存错误.,动态内存经典笔试题分析,柔性数组,总结C/C++中程序内存区域划分🚀 。


感谢你的收看,如果文章有错误,可以指出,我不胜感激,让我们一起学习交流,如果文章可以给你一个小小帮助,可以给博主点一个小小的赞😘

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