c语言：深入理解动态内存管理（了解malloc，calloc,realloc,free函数的用法)

前言：为什么要有动态内存管理

普通开辟空间的方法：

int a=10;//在栈空间上开辟4个字节
char ch=[10];//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

动态内存管理的定义?

动态内存管理是指在程序运行时动态地分配和释放内存的过程。在动态内存管理中，程序可以根据需要在运行时分配内存空间，而不需要在编译时就确定内存的大小或数量。这使得程序能够更加灵活地处理不确定数量或大小的数据。

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malloc函数

malloc是C语言中用于动态分配内存的函数,该函数的作用是在程序运行时，向操作系统请求分配一块特定大小的内存空间，并返回指向该内存空间起始地址的指针。

头文件：<stdlib.h>

下面是malloc函数的声明：

void *malloc(size_t size);

• size参数表示需要分配的内存空间的大小，以字节为单位。
• malloc函数返回一个void*类型的指针，指向分配的内存空间的起始地址。如果分配失败，则返回NULL。

示例：

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

int main() 
{
    int *ptr; // 声明一个指向整数的指针

    int n = 5; // 定义整数n，表示需要分配的内存空间大小

    // 使用malloc函数动态分配包含5个整数的内存空间
    ptr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    { // 检查内存分配是否成功
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 使用动态分配的内存空间进行初始化
    for (int i = 0; i < n; i++) 
    {
        ptr[i] = i * 2;
    }

    // 输出动态分配的内存空间中的数据
    printf("动态分配的内存空间中的数据：\n");
    for (int i = 0; i < n; i++)  
    {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放动态分配的内存空间
    free(ptr);

    return 0;
}

注意：使用malloc函数分配的内存空间在使用完毕后应该及时释放（free），以避免内存泄漏问题。此外，动态分配的内存空间不会自动初始化为零，因此在使用前需要确保对其进行正确的初始化。

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free函数

free函数是C语言中用于释放动态分配的内存空间的函数，free函数的作用是将之前通过malloc、calloc、realloc等函数动态分配的内存空间返回给系统，以便系统可以重新分配这部分内存给其他程序使用。

头文件：<stdlib.h>

下面是free函数的声明：

void free(void *ptr);

示例：

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

int main() 
{
    int *ptr;
    int n = 5;

    // 分配包含5个整数的内存空间
    ptr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 使用动态分配的内存空间
    for (int i = 0; i < n; i++) 
    {
        ptr[i] = i * 2;
    }

    // 释放动态分配的内存
    free(ptr);  // 使用free函数释放动态分配的内存
    ptr=NULL;//将指针设置为NULL

    return 0;
}

注意：一旦调用了free函数释放了动态分配的内存空间，就不应再使用指向该内存空间的指针，否则会导致未定义的行为。因此，释放内存后应该将指针设置为NULL，以避免出现悬空指针问题。

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calloc函数

calloc函数是C语言中用于动态分配内存空间并初始化为零的函数，calloc函数分配的内存空间会被初始化为零，这是与malloc函数的一个区别。calloc函数通常用于分配数组或结构体等需要初始化为零的大块内存空间。

头文件：<stdilb.h>

下面是calloc函数的声明：

void *calloc(size_t num, size_t size);

• num参数表示需要分配的元素个数。
• size参数表示每个元素的大小（以字节为单位）。

calloc函数返回一个指向分配内存空间起始位置的指针，如果内存分配失败，则返回NULL。

示例：

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

// 定义一个简单的结构体
typedef struct 
{
    int id;
    char name[20];
} Employee;

int main() 
{
    int numEmployees = 3;
    Employee *employees;

    // 分配包含3个Employee结构体的内存空间并初始化为零
    employees = (Employee*)calloc(numEmployees, sizeof(Employee));
    if (employees == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 输出动态分配的结构体数组中的值
    for (int i = 0; i < numEmployees; i++) 
    {
        printf("ID: %d, Name: %s\n", employees[i].id, employees[i].name);  // 应该输出3个0和空字符串
    }

    // 释放动态分配的内存
    free(employees);
    employees=NULL;

    return 0;
}

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realloc函数

realloc函数是C语言中用于重新分配已分配内存空间的函数，realloc函数可以用于扩大或缩小先前由malloc、calloc或realloc分配的内存块的大小。

头文件：<stdlib.h>

声明：

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

• ptr参数是指向先前分配的内存空间的指针。
• size参数是新的内存空间的大小（以字节为单位）。

realloc函数返回一个指向重新分配内存空间的指针。如果无法满足内存需求，或者ptr为NULL，则realloc函数返回NULL，并且原内存块保持不变。

示例：

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

int main() 
{
    int *ptr;

    // 分配包含5个整数的内存空间
    ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 重新分配内存空间，扩大为包含10个整数
    ptr = (int*)realloc(ptr, 10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存重新分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 释放动态分配的内存
    free(ptr);

    return 0;
}

注意：需要注意的是，realloc函数可能会将先前分配的内存块移动到新的位置，因此在调用realloc后，原始指针可能会变为无效。因此，建议在调用realloc后将返回的指针赋给原始指针，以确保在重新分配内存失败时不会丢失对原始内存块的引用。

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