【C语言】内存管理

文章目录

【C语言】内存管理
- 1.概念
- 2.库函数
- 3.动态分配内存
- - malloc
  - calloc
- 4.重新调整内存的大小和释放内存
- - realloc
  - free

1.概念

C 语言为内存的分配和管理提供了几个函数。这些函数可以在 <stdlib.h> 头文件中找到。

在 C 语言中，内存是通过指针变量来管理的。指针是一个变量，它存储了一个内存地址，这个内存地址可以指向任何数据类型的变量，包括整数、浮点数、字符和数组等。C 语言提供了一些函数和运算符，使得程序员可以对内存进行操作，包括分配、释放、移动和复制等。

2.库函数

序号	函数及描述
1	`void calloc(int num, int size);` 在内存中动态地分配 `num` 个长度为 `size` 的连续空间，并将每一个字节都初始化为0。所以它的结果是分配了 `num size` 个字节长度的内存空间，并且每个字节的值都是0。
2	`void free(void *address);` 该函数释放 `address` 所指向的内存块，释放的是动态分配的内存空间。
3	`void *malloc(int num);` 在堆区分配一块指定大小的内存空间，用来存放数据。这块内存空间在函数执行完成后不会被初始化，它们的值是未知的。
4	`void realloc(void address, int newsize);` 该函数重新分配内存，把内存扩展到 `newsize`。

**注意：**void * 类型表示未确定类型的指针。C、C++ 规定 void * 类型可以通过类型转换强制转换为任何其它类型的指针。

3.动态分配内存

编程时，如果预先知道数组的大小，那么定义数组时就比较容易。例如，一个存储人名的数组，它最多容纳 100 个字符，所以您可以定义数组，如下所示：

char name[100];

但是，如果预先不知道需要存储的文本长度，例如想存储有关一个主题的详细描述。在这里，我们需要定义一个指针，该指针指向未定义所需内存大小的字符，后续再根据需求来分配内存，如下所示：

malloc

void *malloc(size_t size);size 参数指定了需要分配的内存大小，单位是字节（byte）。size_t 是一个无符号整数类型，通常用来表示大小和计数。功能描述：
malloc 函数在程序的堆区（heap）请求一块至少为 size 字节的内存区域。如果内存分配成功，malloc 返回一个指向这块内存的指针，程序员可以使用这个指针来访问和操作分配的内存。
如果分配失败，通常是因为堆上没有足够的内存空间，malloc 会返回 NULL。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{char name[100];char *p;strcpy(name, "xiao ming");/* 动态分配内存 */p = (char *)malloc( 10 * sizeof(char) );// 分配一个整数数组的空间，大小为10个charif( p == NULL ){perror("malloc");}else{strcpy( p, "xiao ming is a student ");}printf("Name = %s\n", name );printf("p: %s\n", p );free(p);
}

注意事项：

初始化：malloc 分配的内存空间不会被自动初始化，它的初始内容是未定义的。如果需要初始化，必须手动设置。
内存泄漏：使用 malloc 分配的内存必须在不再需要时使用 free 函数释放。如果忘记释放，将导致内存泄漏。
大小计算：分配数组时，需要使用 sizeof 来确保分配的内存大小正确。例如，分配一个包含 n 个元素的数组时，应使用 n * sizeof(element) 作为 malloc 的参数。
错误处理：如果 malloc 返回 NULL，应该妥善处理这种情况，可能是程序应该终止或采取其他恢复措施。
指针类型：malloc 返回的是 void* 类型的指针，这是C语言中所有指针类型的通用类型。在使用 malloc 分配特定类型的内存时，通常需要强制类型转换，如 int* array = malloc(10 * sizeof(int));。

malloc 是动态内存分配的核心函数之一，在需要处理不确定数量的数据或实现某些数据结构（如链表、树等）时非常有用。正确使用 malloc 和 free 对于编写稳健和高效的C程序至关重要。

calloc

calloc 是 C 语言中用于动态内存分配的另一个标准库函数，它在很多方面与 malloc 相似，但有一个关键的区别在于初始化行为。下面是 calloc 函数的详细介绍：

函数原型：

void *calloc(size_t num, size_t size);

num 参数指定了要分配的元素数量。
size 参数指定了每个元素的大小，单位是字节。

功能描述：

calloc 函数在程序的堆区分配一块总大小为 num * size 字节的内存区域，并且将这块内存区域的每个字节都初始化为0。这使得 calloc 成为分配和初始化静态数组或数据结构（如矩阵）的理想选择。
如果内存分配成功，calloc 返回一个指向这块内存的指针；如果失败，返回 NULL。

使用示例：

#include <stdlib.h> // 包含calloc函数的头文件int main() {int rows = 5;int columns = 5;// 分配一个5x5的整数矩阵，并初始化为0int *matrix = calloc(rows * columns, sizeof(int));if (matrix == NULL) {// 处理内存分配失败的情况fprintf(stderr, "Memory allocation failed.\n");return 1;}// 使用分配的内存// 注意：矩阵已经初始化为0free(matrix); // 释放分配的内存return 0;
}

注意事项：

初始化：与 malloc 不同，calloc 分配的内存区域会自动初始化为0，这对于需要清零的数据结构非常有用。
内存泄漏：和 malloc 一样，使用 calloc 分配的内存也必须在使用完毕后用 free 函数释放，以避免内存泄漏。
大小计算：分配数组或复合数据结构时，应使用 sizeof 来确保分配的内存大小正确。
错误处理：如果 calloc 返回 NULL，应该妥善处理这种情况，可能是程序应该进行错误恢复或终止。
指针类型：calloc 返回的是 void* 类型的指针，在使用时通常需要强制类型转换到具体的数据类型指针。

calloc 是动态内存分配中一个非常有用的函数，特别是当你需要分配一块内存并确保它是清零的状态时。正确地使用 calloc 可以帮助你更容易地初始化复杂的数据结构，并保持代码的清晰和简洁。

4.重新调整内存的大小和释放内存

当程序退出时，操作系统会自动释放所有分配给程序的内存，但是，建议在不需要内存时，都应该调用函数 free() 来释放内存。

或者，可以通过调用函数 realloc() 来增加或减少已分配的内存块的大小。让我们使用 realloc() 和 free() 函数。

realloc

realloc 是 C 语言中的一个用于内存管理的函数，它允许你更改先前使用 malloc 或 calloc 函数分配的内存块的大小。这个函数非常有用，当你需要调整一个数据结构的大小以适应程序运行时变化的需求时。

函数原型：

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

ptr 是指向先前分配的内存块的指针。
new_size 是新的内存大小，单位是字节。

功能描述：

realloc 尝试将指针 ptr 指向的内存块调整为 new_size 字节大小。
如果 ptr 是 NULL，realloc 表现得就像 malloc(new_size)，分配一个新的内存块。
如果 new_size 是 0，realloc 表现得就像 free(ptr)，释放内存块。
如果 realloc 成功，它返回指向重新分配（可能移动）内存块的指针。如果内存块被移动，原内存块的内容会被复制到新位置。
如果 realloc 失败，它返回 NULL，原始内存块保持不变。

使用示例：

#include <stdlib.h> // 包含realloc函数的头文件int main() {int *array = malloc(5 * sizeof(int)); // 初始分配if (array == NULL) {fprintf(stderr, "Initial memory allocation failed.\n");return 1;}// 假设需要扩大数组array = realloc(array, 10 * sizeof(int)); // 重新分配更大的空间if (array == NULL) {fprintf(stderr, "Memory reallocation failed.\n");free(array); // 确保释放原始内存return 1;}// 使用扩大后的数组// ...free(array); // 释放分配的内存return 0;
}

注意事项：

内存块可能移动：realloc 可能会将内存块移动到堆中的另一个位置，因此返回的新指针可能与原始指针不同。这意味着你应该总是使用 realloc 返回的指针来引用内存。
内容复制：如果内存块被移动，realloc 会自动将原始内存块的内容复制到新位置。
内存泄漏风险：如果 realloc 失败，原始内存块仍然有效，不会自动释放。因此，你应该在重新分配内存之前保存原始指针的副本，并在必要时释放它。
错误处理：如果 realloc 返回 NULL，应该检查 new_size 是否为预期值，并处理可能的错误情况。
性能考虑：频繁地使用 realloc 可能会导致性能问题，特别是如果内存块经常需要移动到新位置时。