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C语言详解（动态内存管理）1

news 2025/8/4 12:41:28

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💥💥所属专栏：C语言

🚀本系列文章为个人学习笔记，在这里撰写成文一为巩固知识，二为展示我的学习过程及理解。文笔、排版拙劣，望见谅。

前言

本篇文章将介绍C语言中除指针和结构体外又一重要的内容——动态内存管理
在C语言中，我们更多的需要手动分配和释放内存，这意味着我们必须正确地管理内存，以避免内存泄漏、内存溢出和其他内存错误，这些错误可能导致程序崩溃或安全漏洞。因此，了解内存管理是编写高质量、高效率和健壮性程序的重要部分。

1、为什么要有动态内存分配

目前我们申请内存的方法有两种，创建相关类型变量int n = 0;和创建相关类型数组int arr[10] = { 0 };
但是这样申请的内存是有缺点的：

申请的内存大小是有限的，不能指定大小
数组在声明的时候必须指定长度，数组空间一旦确定下来就不能调整
数组空间在申请前我们不能给出一个准确的大小，大了浪费，小了不够

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
为了解决这个问题，C语言引入了动态内存开辟，让我们可以自己申请和释放内存，这样就比较灵活了
空间不够我们可以增大，空间太大我们可以缩小

2、malloc 和 free

使用动态内存管理函数都需要包含头文件<stdlib.h>

2.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数malloc

void* malloc(size_t size);

malloc 函数的作用是开辟一块指定大小的、连续的、有限的内存空间，大小由size 决定，是不能开辟无限空间的
在x86环境下开辟一块超大内存空间，若开辟失败打印出失败原因：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX);//INT_MAX=2147483647if (p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");//失败后用return终止程序return 1;}return 0;
}

在这里插入图片描述

对于malloc函数，我们需要注意：

参数的单位是字节
如果size是0，malloc的行为是未定义的，取决于编译器
malloc的返回值是void *类型的指针
申请空间成功的话返回起始地址，反之则返回NULL
malloc返回的地址我们基本都会直接强转为我们需要的类型的地址

示例：申请10个整形空间，存入1~10

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");//失败后用return终止程序return 1;}//可以使用开辟好的空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i + 1;}return 0;
}

在这里插入图片描述

malloc申请的空间和数组有什么区别？

动态内存的大小可以调整
空间开辟的位置不一样

在这里插入图片描述
我们创建的局部数组就在栈区

虽然空间有区别，但在使用上是一样的

2.2 free

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，malloc和free基本都要成对存在，函数原型如下：

void free(void* ptr);

free函数是用来释放开辟的动态内存的，我们将上面开辟的动态内存释放：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");//失败后用return终止程序return 1;}//可以使用开辟好的空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i + 1;}//将开辟的动态内存释放free(p);p = NULL;return 0;
}

注意：用free释放动态内存空间后，指针p中还保留着其地址，安全起见我们需要给指针p赋NULL，因此free(p)和p = NULL总是一起出现的
既然有free函数，所以说明动态内存是不能自动回收的，所以malloc申请的空间和数组又有了一个区别：

数组在进它的作用域时申请空间，出作用域时自动释放空间；而malloc申请的动态内存空间需要我们手动地释放
如果不释放，程序结束的时候也会被系统自动回收，但是并不建议这样做，自己申请的空间要自己释放，不然会浪费资源，也是不负责任的行为

特别的：

如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，free的行为是未定义的
如果参数ptr是NULL指针，则free什么都不做

3、calloc 和 realloc

3.1 calloc

C语言还提供了一个函数calloc，其函数原型是：

void* calloc( size_t num, size_t size );

calloc的作用是开辟num个大小为size的连续空间，同时将内存空间初始化为0

用 calloc申请10个整型的空间，并打印出内存中的值：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){//空间开辟失败perror("calloc");//失败后用return终止程序return 1;}//可以使用开辟好的空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p + i)}//将开辟的动态内存释放free(p);p = NULL;return 0;
}

在这里插入图片描述

如果将malloc申请的动态内存空间中的值打印出来，应该都是随机值：

在这里插入图片描述

所以malloc和calloc只两个区别：

malloc有1个参数，而calloc有2个参数
calloc会把申请的动态内存空间内的值初始化为全0，而malloc不会

3.2 realloc

在文章开头我们提到了，有时在定义数组的时候我们并不能给定数组一个准确的长度，大了浪费，小了不够。
而realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活，它的作用是调整动态内存空间的大小，原型如下：

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

ptr：指向之前通过malloc、calloc、realloc开辟的内存块（必须是起始地址）
new_size：内存新大小（单位字节）
返回值void *：调整后的内存起始地址，若失败则返回空指针

当我们想用realloc函数将一个动态内存空间调整的小一点，则相应的动态内存空间就会减小到我们想要的大小；而当我们想用realloc函数将一个动态内存空间调整的大一点，这时候就会有两种情况出现：

情况一：原内存后的可用空间足够我们的扩容
在这里插入图片描述

这时候realloc函数就会按正常程序走，返回原内存的起始地址

情况二：原内存后的可用空间不够我们扩容
在这里插入图片描述

这时候realloc函数会在堆区中找一块足以完成我们目的的内存空间，并将原内存中的内容拷贝到新内存空间中，realloc函数还会自己将原内存空间释放，最后返回新开辟的内存空间的起始地址

当然，不管我们是想将原内存空间调小还是扩容，都有失败的可能
所以，realloc函数的返回值我们不能直接用指向原内存的指针接收，因为如果realloc返回的是NULL，则原内存的地址都会消失
我们可以用一个新指针过渡

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){//空间开辟失败perror("calloc");//失败后用return终止程序return 1;}//可以使用开辟好的空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p + i)}//调整空间，扩容到20个整型空间int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//用新指针过渡if (ptr != NULL){p = ptr;}//使用// ...//将开辟的动态内存释放free(p);p = NULL;return 0;
}