C语言malloc类函数详解

在 C 语言中，动态内存管理主要依赖于标准库中的一组函数。以下是 malloc 及其同类函数的详细说明：

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1. 基础动态内存分配函数

(1) malloc

void* malloc(size_t size);

• 功能：分配指定字节数的未初始化内存。

• 特点：

  • 内存内容未初始化（可能包含随机值）。

  • 分配失败时返回 NULL。

• 示例：

  
  int *arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配10个int的空间

(2) calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);

• 功能：为 num 个元素分配连续内存，并将内存初始化为零。

• 特点：

  • 内存内容初始化为全零。

  • 适合分配数组或结构体数组。

• 示例：

  
  int *arr = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 分配并初始化10个int

(3) realloc

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

• 功能：调整已分配内存块的大小。

• 特点：

  • ptr 必须是 malloc/calloc/realloc 返回的指针。

  • new_size 为 0 时等效于 free(ptr)。

  • 可能返回新地址，需重新接收返回值。

• 示例：

  
  arr = (int*)realloc(arr, 20 * sizeof(int)); // 扩展为20个int

(4) free

void free(void* ptr);

• 功能：释放动态分配的内存。

• 注意：

  • 只能释放由 malloc/calloc/realloc 分配的内存。

  • 释放后应将指针置为 NULL，避免悬空指针。

  
  free(arr);
  arr = NULL; // 防止误用

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2. 高级内存管理函数

(1) aligned_alloc (C11 引入)

void* aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

• 功能：分配对齐到 alignment 字节的内存。

• 要求：

  • size 必须是 alignment 的整数倍。

• 示例：

  
  int *arr = (int*)aligned_alloc(64, 1024); // 64字节对齐

(2) valloc (已废弃，POSIX 标准)

void* valloc(size_t size);

• 功能：分配页面对齐的内存（类似 aligned_alloc，但对齐到页面大小）。

• 注意：已被 aligned_alloc 或 posix_memalign 替代。

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3. 非标准扩展函数

(1) alloca (栈上分配，非标准)

void* alloca(size_t size);

• 功能：在栈上分配内存（函数返回时自动释放）。

• 风险：

  • 可能导致栈溢出。

  • 不可跨函数使用。

• 示例：

  
  int *arr = (int*)alloca(10 * sizeof(int)); // 栈内存，无需手动释放

(2) memalign (已过时)

void* memalign(size_t alignment, size_t size);

• 功能：类似 aligned_alloc，但不受 C 标准约束。

• 替代：优先使用 aligned_alloc。

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4. 调试工具函数

(1) malloc_usable_size (GNU 扩展)

size_t malloc_usable_size(void* ptr);

• 功能：查询实际分配的内存块大小（可能大于请求值）。

• 示例：

  
  size_t real_size = malloc_usable_size(arr); // 实际分配的内存大小

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5. 内存操作函数

(1) memset

void* memset(void* ptr, int value, size_t num);

• 功能：将内存块填充为指定值。

• 常用场景：初始化内存（替代 calloc 的部分功能）。

(2) memcpy / memmove

void* memcpy(void* dest, const void* src, size_t num);
void* memmove(void* dest, const void* src, size_t num);

• 功能：复制内存内容。

• 区别：memmove 可处理内存重叠区域。

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使用注意事项

1. 检查返回值：malloc/calloc/realloc 可能返回 NULL，需检查分配是否成功。

   
   if (arr == NULL) {
       fprintf(stderr, "内存分配失败！");
       exit(EXIT_FAILURE);
   }

2. 避免内存泄漏：

   • 确保每个 malloc/calloc 都有对应的 free。

   • 使用工具（如 Valgrind）检测内存泄漏。

3. 防止悬空指针：

   
   free(ptr);
   ptr = NULL; // 释放后置空

4. 对齐要求：

   • 处理 SIMD 指令或硬件访问时，使用 aligned_alloc 确保内存对齐。

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总结

函数	用途	初始化	内存来源
malloc	分配未初始化内存	否	堆
calloc	分配并清零内存	是	堆
realloc	调整已分配内存大小	保留数据	堆
free	释放内存	-	堆
aligned_alloc	对齐内存分配	否	堆
alloca	栈上分配（自动释放）	否	栈

根据需求选择合适的函数，并始终遵循谁分配谁释放的原则！