C语言中的动态内存分配

在很多场景，数据的大小是在运行时才能确定，编译阶段无法确定数据长度；或者有大块的数据需要存放，但是栈空间不够；或者某些参数需要实现跨函数传递；或者需要实现可变的数据结构。当面临这些问题时，我们往往想到动态分配内存。本文将主要讲在C语言中，动态内存分配的4个常用函数，以及使用注意事项。

一、为什么要用动态内存

栈内存存放局部变量，大小编译期确认，空间很小（通常只有几MB），函数结束自动销毁

堆内存空间大，动态分配，大小运行时确定，但是必须手动管理

原因1：【主要原因】运行时才知道需要多大内存

静态数组写大了浪费内存，写小了会溢出，动态内存要多少给多少

例如：用户输入、读取文件、网络接收的数据，程序跑起来才知道要多少数据，没有办法提前写死。

原因2：突破栈空间限制

栈空间很小，一般就1-8MB左右，大数据不能放在栈上，必须放到堆。

原因3：内存生命周期不受函数作用域限制

栈上的局部变量，函数执行完毕就自动释放了，不能继续函数外使用

动态内存：函数结束，堆内存依然存在，必须手动free才释放

eg：局部数组，函数返回后内存销毁，返回指针就是也指针

原因4：实现可边长数据结构

链表、队列、树、哈希表，全部离不开动态内存。

链表每新增一个节点，就要malloc一块内存节点（没有动态内存，就写不出链表）

二、四种常用动态内存函数

1、四种对比

函数	参数	内存初始化	功能
malloc	malloc(字节数)	不初始化（垃圾值）	分配指定大小堆内存
calloc	calloc(元素个数，每个大小)	全部置0	分配数组，自动清零
realloc	realloc(旧指针，新总字节)	旧数据保留，新增部分不初始化	修改已分配内存大小，扩容缩容
free	free（指针）	-	释放堆内存

malloc和realloc分配的空间生存期，是随进程持续性，不是随代码块持续性。

2、malloc

作用：分配X字节的堆内存，不会初始化内存，里面为随机值。分配成功返回内存首地址，分配失败返回NULL

c 复制代码

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include<math.h>

int main(){
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
    //在堆上申请10个连续int内存空间
    int *p=(int*)malloc(10*sizeof(int));
    if(p==NULL){
        printf("动态内存分配失败\n");
    }
    else{
        printf("动态内存分配成功\n");
        for(int i=0;i<10;i++){
            printf("%p,存放的内容%lx\n",&p[i],p[i]);
        }
    }
    free(p);//用完释放
    p=NULL;// 置空，防止野指针
    return 0;
}

运行结果：

malloc分配的内存不会自动初始化，所有元素默认是随机垃圾值，使用前建议手动赋值。

3、calloc

calloc(num,size)

作用：分配num个元素，每个占用size字节，分配完成自动全部初始化为0

和malloc的区别：calloc会清零，malloc不会。

c 复制代码

//上面的malloc变为calloc
int *p=(int*)calloc(10,sizeof(int));

运行结果：

4、realloc

realloc(ptr,new_size)

作用：重新修改已分配好的堆内存，扩容或缩容

ptr:之前得到的指针

newsize：新的总字节数

注意：

如果后面堆空间足够，直接原地扩容，返回原来的地址

如果后面不够，堆找一块全新内存，把旧内容复制过去，释放旧内存，返回新地址

失败返回NULL，原来旧内容不会释放

realloc(ptr,0):长度为0，是把原来的空间释放

c 复制代码

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include<math.h>

int main(){
    SetConsoleOutputCP(65001);
    SetConsoleCP(65001);
    //在堆上申请10个连续int内存空间,并将内存的首地址赋值给整型指针p
    int *p=(int*)calloc(5,sizeof(int));
    int *tmp=(int*)realloc(p,10*sizeof(int));
    if(p==NULL)
        {
        printf("动态内存分配失败");
        }
    else{
        printf("-----动态内存分配成功-----\n");
         for(int i=0;i<5;i++){
            printf("%p,存放的内容%lx\n",&p[i],p[i]);
         }
        if(tmp!=NULL)
            {
            printf("-----重新分配成功-----\n");
            p=tmp;
            for(int i=0;i<10;i++)
                {
                printf("%p,存放的内容%lx\n",&p[i],p[i]);
                }
            }
        else
            {
            printf("-----重新分配失败-----\n");
            //分配失败，p仍指向旧内存，可以继续使用
            printf("%p\n",&p);
            }       
        }
    free(p);//用完释放
    p=NULL;// 置空，防止野指针
    return 0;
}

运行结果：

注意：realloc直接用原指针接收返回值，失败会导致内存泄漏（例子中直接写p=realloc(p,newsize);如果失败p被赋值为NULL，原内存地址丢失，直接内存泄漏）。

realloc(NULL,n)等价于malloc(n)

5、free释放内存

作用：释放堆内存，还给操作系统

规则：

参数必须是malloc、realloc、calloc返回的地址，不能传栈变量地址

free之后，原来的指针变量仍然保存旧地址，变为野指针，建议手动赋值为NULL

不能重复free同一个指针，程序会崩溃

free(NULL)是安全的，什么都不做

三、使用注意事项

1、实际项目大量使用动态内存（malloc、realloc、calloc、free），但是不能无脑使用，滥用会付出巨大代价 ：

内存泄漏 ：忘记free，程序越跑内存占用越高，长期运行服务直接卡死。

野指针 ：free之后，继续使用，重复free，直接崩溃

realloc坑点 ，分配失败处理麻烦

频繁malloc、free会产生内存碎片，长时间运行内存效率下降

所以：

小固定大小缓冲区，优先栈数组，不要malloc

malloc和free尽量配对，谁申请，谁释放

嵌入式设备内存很小，尽量少用动态内存，必要时禁止malloc

2、垃圾内存/内存泄漏

c 复制代码

char *p=malloc(10);
char a;
p=&a;//p本来指向10字节的动态内存分配的空间，现在指向a

上述代码，没有任何指针会指向那段动态内存分配的空间，并且那段空间不会释放，变为垃圾内存（或说内存泄漏）

解决办法：

方案一：p指向其他对象之前先释放

c 复制代码

free(p);
p=&a;

方案二：p指向其他对象之前，给那段空间找一个索引指针

c 复制代码

char *q=p;//后面可以通过q来释放这段空间。
p=&a;