【C语言】动态内存管理全解析：malloc、calloc、realloc与free的正确使用

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动态内存分配
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前言：

在C语言编程中，内存管理是开发者必须掌握的核心技能之一。静态内存分配虽然简单易用，但在实际开发中往往无法满足灵活多变的内存需求。动态内存分配技术为程序提供了运行时按需分配内存的能力，极大地增强了程序的灵活性和资源利用率。本文将深入讲解C语言中动态内存分配的四大关键函数：malloc、calloc、realloc和free，通过原理分析、代码示例和常见问题解析，帮助读者全面掌握动态内存管理的精髓，避免内存泄漏和野指针等常见问题。

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一、为什么要有动态内存分配

咱们先来看一下咱们已经掌握的内存开辟方式有：

	int val = 10;//在栈空间上开辟四个字节char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间方式有两个特点：

空间开辟大小是固定的。
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整

但是我们在写代码的时候对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。
C语言 引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

二、malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

• 如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。
• 如果开辟失败，则返回⼀个 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。
• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

2.2 free

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的（动态申请的内存如果不再使用，必须显式地释放并归还给操作系统），函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = NULL;//开辟ptr = (int*)malloc(1000000000000);//动态开辟20个字节的内存if(ptr == NULL)//判断ptr指针是否为空（是否开辟成功）{perror("malloc:");}//使用else{int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(ptr + i) = 0;}}//释放free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存，传入的指针必须是要释放的内存空间的起始地址。//注意：free只是将这一块内存还给操作系统了，而对于ptr指针未作任何改变//此时，ptr就是野指针ptr = NULL;//即将野指针置空return 0;
}

三、calloc和realloc

3.1 calloc

C语言还提供了一个函数叫calloc， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

参数解释：

为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。

与函数 malloc 的区别：

只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//开辟10个空间大小为int的内存空间if (NULL != p)//判断p指针是否为空（是否开辟成功）{int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){//咱们并未主动赋值//直接打印printf("%d ", *(p + i));}}free(p);p = NULL;return 0;
}

输出：

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很⽅便的使⽤calloc函数来完成任务。

3.2 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们⼀定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：

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

参数解释：

ptr 是要调整的内存地址
size 调整之后新大小
返回值为调整之后的内存起始位置。

那咱们就会有疑问，为什么返回值是调整之后的内存起始位置，起始位置不是一直没变吗，其实不是这样的，
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

• 情况1：原有空间之后有足够够大的空间
• 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

图示：

情况1：
当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发⽣变化。
情况2：
当是情况2 的时候，原有空间之后没有大小够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。
情况2图示：

知道了上述的两种情况，realloc函数的使用我们就要注意⼀些要点了。
看代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//……}else{perror("malloc");}//扩展容量为1000个字节//完善代码//……return 0;
}

那咱们可以这样写吗：

	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);

不行，坚决不允许。
解释：

直接将realloc的返回值放到ptr中的话，如果realloc函数申请失败则会返回NULL，此时会使得ptr为NULL。
就是会导致：

1. 内存泄漏（原内存无法释放）
2. 无法访问原有数据

正确怎么写呢？
我们先将realloc函数的返回值放在p中，当p不为NULL，再放ptr中：

	int* p = NULL;p = (int*)realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}

这样是没有问题的。
那怎么把上面代码总结一下,完整的如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//使用……}else{perror("malloc");return 1; // 直接退出，避免后续操作}//扩展容量//先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中int* p = NULL;p = (int*)realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}//使用……//释放free(ptr);ptr = NULL;// 防止野指针（良好习惯）return 0;
}

所以，咱们要知道：
malloc、calloc 和 realloc 在内存分配失败时都会返回 NULL。

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总结

良好的内存管理习惯不仅能避免程序崩溃和内存泄漏，还能提高代码的健壮性和可维护性。记住：动态分配的内存就像借来的书，用完后一定要记得归还（释放）！
对于这一部分内容，不难，但是容易出错，后续我会关于易错点等等再出一篇文章，帮助大家理解，谢谢观看至此！！！

附录

上文链接

《联合体完全指南：内存共享、大小计算与实战应用》

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