C语言中使用动态内存

腊笔不小新xingo2024-11-28 8:27

在前面介绍C语言的内存模型时知道C语言中将内存划分为多个区间：栈区、堆区、静态区、常量区、代码区。在方法内定义和使用的变量，如果没有使用static关键字修饰都是在栈区内，该区内定义的变量不需要我们管理，系统会自动申请和释放空间。在内存空间划分中还有一个非常重要的堆区，在这个区间定义的变量需要程序自己管理空间的申请和释放，如果使用不当，就会造成内存泄露问题，严重的更可能导致程序崩溃。

C语言动态操作内存首先要引入 stdlib.h 库，涉及到内存操作的函数有下面这些：

（1）malloc：动态分配一块内存空间，该函数的形参是要分配的内存空间大小，单位是字节。函数的返回值是一个void类型的指针，在使用时需要转换为具体类型的指针。函数原型是：

c 复制代码 
void * malloc(size_t _Size);

通过函数定义可以知道该函数只是返回内存的首地址，没有总内存大小，如果要在后面使用内存大小最好自己定义一个变量记录下来；malloc函数申请的空间也不会初始化，在赋值前访问内存空间是脏数据；申请过多的内存空间后，会产生虚拟内存；注意申请的内存要及时释放，避免内存泄露的风险。

函数使用示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 申请存放10个整型数据的内存
    int* p = (int *) malloc(10 * sizeof(int));

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- uninitialized ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }
    // 内存赋值
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = (i * 10);
    }

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- initialization ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    // 释放内存空间
    free(p);

    return 0;
}

程序运行输出：

---------------- uninitialized ----------------
-1023344304
508
-1023344304
508
778857573
1886350710
1852795252
1917845619
1634887535
875976557
---------------- initialization ----------------
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90

（2）calloc：也是用于动态分配内存，该函数两个形参分别是元素数量以及每个元素所占的字节大小。与malloc不同的是，它会在分配内存后初始化为0。由于有初始化的操作，整体来说性能不如malloc。函数原型是：

c 复制代码 
void * calloc(size_t _NumOfElements, size_t _SizeOfElements);

函数使用示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 申请存放10个整型数据的内存
    int* p = (int *) calloc(10, sizeof(int));

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- uninitialized ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }
    // 内存赋值
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = (i * 10);
    }

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- initialization ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    // 释放内存空间
    free(p);

    return 0;
}

程序运行输出：

---------------- uninitialized ----------------
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
---------------- initialization ----------------
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90

（3）realloc：用于更改已经分配的内存大小，函数有两个形参，第一个是指向已经分配的内存地址指针，第二个参数是新的内存大小。函数的返回值也是一个void类型的指针。函数原型是：

c 复制代码 
void * realloc(void *_Memory, size_t _NewSize);

函数使用示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int size = 10;
    // 申请存放10个整型数据的内存
    int* p = (int *) malloc(size * sizeof(int));

    // 内存赋值
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        *(p + i) = (i * 10);
    }

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- initialization ----------------\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    // 内存扩容
    size = 12;
    int* p1 = (int *) realloc(p, size * sizeof(int));
    if (p1 == NULL) {
        // 扩容失败后需要手动释放原来的内存空间
        free(p);
    }

    // 遍历释放后的内存空间
    printf("---------------- after realloc ----------------\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d\n", *(p1 + i));
    }

    // 释放内存空间
    free(p1);

    return 0;
}

程序运行输出：

c 复制代码 
---------------- initialization ----------------
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
---------------- after realloc ----------------
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1247569260
1549891169

调用realloc函数如果扩容成功，原内存空间会自动处理，如果只是在原内存空间继续追加大小，内存地址会继续使用；如果原内存空间不能继续扩容，该函数会重新申请一块内存空间，并将原空间数据复制到新内存空间中，原来的内存空间会释放。如果扩容失败，原来的内存空间不会释放，这时就需要手动释放原内存空间。

由于内存空间充足，几次调用扩容函数都是在原地址上追加：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int size = 10;
    // 申请存放10个整型数据的内存
    int* p = (int *) malloc(size * sizeof(int));

    // 内存赋值
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        *(p + i) = (i * 10);
    }
    printf("---------------- malloc ----------------\n");
    printf("malloc memory address : %p\n", p);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    // 内存扩容
    int* p1 = (int *) realloc(p, (size + 400) * sizeof(int));
    if (p1 == NULL) {
        // 扩容失败后需要手动释放原来的内存空间
        free(p);
    }

    // 遍历释放后的内存空间
    printf("---------------- after realloc ----------------\n");
    printf("realloc memory address : %p\n", p);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d\n", *(p1 + i));
    }

    // 释放内存空间
    free(p1);

    return 0;
}

程序运行输出：

---------------- malloc ----------------
malloc memory address : 0000028a23cb1650
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
---------------- after realloc ----------------
realloc memory address : 0000028a23cb1650
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90

（4）free：用于释放动态分配的内存，函数的形参是指向要释放的内存地址。函数原型是：

c 复制代码 
void free(void *_Memory);

free函数释放后的内存空间中的数据是脏数据，可能被其他程序使用或清空，读取释放后的内存数据没有意义。

函数使用示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 申请存放10个整型数据的内存
    int* p = (int *) malloc(10 * sizeof(int));

    // 内存赋值
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = (i * 10);
    }

    // 遍历申请的内存空间输出数据
    printf("---------------- initialization ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    // 释放内存空间
    free(p);

    // 遍历释放后的内存空间
    printf("---------------- after free ----------------\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }

    return 0;
}

程序运行输出：

c 复制代码 
---------------- initialization ----------------
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
---------------- after free ----------------
-2109137856
691
-2109144752
691
40
50
60
70
80
90

使用堆内存性能是不如栈内存的，并且还存在内存泄露的风险。但是有些场景是栈内存无法满足的，比如要存储很多数据的大数组，链表结构的数据。还有方法的返回值，虽然可以使用指针或static修饰变量返回，但他们都有局限性：使用指针需要在方法形参传递过去，要提前初始化好内存空间，这种方式不方便扩展；使用static修饰变量存放在全局数据区，会导致整个程序生命周期内该变量都存在，即使数据不使用了也不会删除，浪费内存空间，所以方法返回数据使用动态内存是一个很好的选择。

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