C语言动态内存分配函数的实现

在C中我们开辟内存空间有两种方式 :

1.静态开辟内存 :例如:

int a;int b[10];

这种开辟内存空间的特点是
所开辟的内存是在栈中开辟的固定大小的 ,如a是4字节 ,数组b是40字节 ,并且数组在申明时必须指定其长度 , 如果是全局数组的话，内存是在编译时分配好的，如果是局部变量数组的话，运行时在栈上静态分配内存。不管是全局数组还是局部数组，它们都有一个特点，那就是数组大小是确定的，是代码中写死的。那如果我们想在程序运行时才确定一个数组的大小 , 前两种在栈上分配内存的方法显然是不行的 , 举个例子 :

int n;
scanf("%d", &n);
int a[n];

这样编写会在编译时出错 , 编译器会提醒[ ]中应为常量表达式 , 在C中定义数组时可以用的有以下几种 ,例:

#define N 10
enum NUM{
	M=10
};
int a1[N];
int a2[10];
int a3[M];

需要注意的是 ,C中const int n =10 ; n并不能作为数组长度定义数组 , 但C++中则可以 ,
但我们对于开辟空间的需求 , 往往不限于此 , 最常见的定义数组时数组大小在程序运行时才知道的 , 静态开辟就已经无能为力 . 当然有静态开辟 ,肯定也有动态开辟 ,接下来我们就来看动态开辟内存空间

2.动态开辟内存 :

在C中动态开辟空间需要用到三个函数 :

malloc(), calloc(), realloc() ,这三个函数都是向堆中申请的内存空间.
在堆中申请的内存空间不会像在栈中存储的局部变量一样 ,函数调用完会自动释放内存 , 需要我们手动释放 ,就需要free()函数来完成.

下面让我们来看看这几个函数各自的特点, 用法, 区别, 联系.

1.malloc()

void * malloc（size_t size）

1).malloc()函数会向堆中申请一片连续的可用内存空间
2).若申请成功 ,,返回指向这片内存空间的指针 ,若失败 ,则会返回NULL, 所以我们在用malloc()函数开辟动态内存之后, 一定要判断函数返回值是否为NULL.
3).返回值的类型为void*型, malloc()函数并不知道连续开辟的size个字节是存储什么类型数据的 ,所以需要我们自行决定 ,方法是在malloc()前加强制转 ,转化成我们所需类型 ,如: (int*)malloc(sizeof(int)*n).
4).如果size为0, 此行为是未定义的, 会发生未知错误, 取决于编译器

具体怎么用呢 ,举个例子 .

int *p = NULL;
int n = 0;
scanf("%d", &n);
p = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
if(p != NULL){
    //....需要进行的操作
}

这时就相当于创建了一个数组 p[n] ,这个n的值并不需要像定义一个普通数组一样必须是常量, 可以使程序运行时得出的, 或是用户输入的

2.free()

void free(void* ptr)

在堆中申请的内存空间不会像在栈中存储的局部变量一样 ,函数调用完会自动释放内存 , 如果我们不手动释放, 直到程序运行结束才会释放, 这样就可能会造成内存泄漏, 即堆中这片内存中的数据已经不再使用, 但它一直占着这片空间, (通俗说就是就是占着茅坑不拉屎), 所以当我们申请的动态内存不再使用时 ,一定要及时释放 .

1).如果ptr没有指向使用动态内存分配函数分配的内存空间，则会导致未定义的行为。
2).如果ptr是空指针，则该函数不执行任何操作。
3).此函数不会更改ptr本身的值，因此它仍指向相同（现在已经无效）的位置(内存)
4).在free()函数之后需要将ptr再置空 ,即ptr = NULL;如果不将ptr置空的话 ,后面程序如果再通过ptr会访问到已经释放过无效的或者已经被回收再利用的内存, 为保证程序的健壮性, 一般我们都要写ptr = NULL; .

注意 : free()不能重复释放一块内存, 如:

free(ptr);
free(ptr);

是错的, 已经释放过的内存不能重复释放, 会出现内存错误 .

free()具体用法, 举个例子 :

int *p = NULL;
int n = 0;
scanf("%d", &n);
p = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
if(p != NULL){
    //....需要进行的操作
}
//操作完成 ,不再使用这片内存空间
free(p);
p = NULL;

3.calloc()

void * calloc（size_t num，size_t size）

与malloc()函数的区别只在于, calloc()函数会在返回地址之前将所申请的内存空间中的每个字节都初始化为0 .

1).calloc()函数功能是动态分配num个大小(字节长度)为size的内存空间 .
2).若申请成功 ,,返回指向这片内存空间的指针 ,若失败 ,则会返回NULL, 所以我们在用calloc()函数开辟动态内存之后, 一定要判断函数返回值是否为NULL.
3).返回值的类型为void*型, calloc()函数虽然分配num个size大小的内存空间 ,但还是不知道存储的什么类型数据 ,所以需要我们自行决定 ,方法是在calloc()前加强制转 ,转化成我们所需类型 ,如: (int*)calloc(num, sizeof(int)).
4).如果size与num有一个或都为0, 此行为是未定义的, 会发生未知错误, 取决于编译器

所以如何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函数来完成这个需求。
例如 :

C语言动态内存分配函数的实现

4.realloc()

void * realloc（void * ptr，size_t size）

realloc()函数让动态内存管理更加灵活 .在程序运行过程中动态分配内存大小, 如果分配的太大 ,则浪费空间, 如果太小, 可能还是会出现不够用的情况 .为了合理的利用内存，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(既可以往大调整, 也可以往小了调整) .

1).ptr为需要调整的内存地址
2).size为调整后需要的大小(字节数)
3).若调整成功, 返回值为调整大小后内存的起始位置(也就是指向调整后内存的指针), 若失败(当没有内存可以分配时, 一般不会出现), 则返回NULL, 所以还是要对返回值判空
4).如果ptr是空指针, 则和malloc()函数一样作用一样

注意 : realloc()函数在扩大内存空间时有两种情况

1).ptr所指的内存后有足够的内存空间用来扩展 ,如图 :

C语言动态内存分配函数的实现