C语言入门（二十七）：动态内存管理（1）

目录

1. 为什么要有动态内存分配

2. malloc和free

2.1 malloc

2.2 free

3. calloc和realloc

3.1 calloc

3.2 realloc

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1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟⽅式有：

int val = 20;//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的⽅式有两个特点：

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

但是对于空间的需求，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。

2. 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，具体在使⽤的时候由使⽤者自己来决定
• 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
• 需要一个头文件:<stdlib.h>

具体代码如下：

int main() { //申请20个字节的空间，然后存放5个整数 int* p=(int*) malloc(20); //由于存放的是整数，所以用int*型来接收 if (p == NULL) //判断指针是否为空指针，是空指针则不执行 { perror("malloc"); return 1; } //使用这个空间，打印出5个整数 int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = i + 1; } return 0; }

解析代码：
申请内存：

int* p = (int*)malloc(20);

• malloc(20)

  1. 知识点：动态内存分配

     malloc是“内存分配”函数，向操作系统申请一块内存空间。

  2. 20表示申请20 个字节的内存。

• (int*)

  1. 知识点：类型转换

     malloc返回的是void*（无类型指针）。(int*)是强制类型转换，意思是“把返回的指针当成int*类型看待”。

理解：
你现在有一个指针p，指向一块可以存放 5 个int的内存（因为int通常是 4 字节，20 ÷ 4 = 5）。

检查是否分配成功：

if (p == NULL) { perror("malloc"); return 1; }

• if (p == NULL)

  1. 知识点：空指针检查

     如果内存分配失败（比如内存不足），malloc会返回NULL。NULL就是空指针，表示“没有指向任何内存”。

• perror("malloc")

  1. 知识点：错误处理

     如果分配失败，打印错误信息，告诉你为什么失败（例如“内存不足”）。

• return 1

  1. 知识点：程序退出状态

     main函数返回非 0 值表示程序异常结束。

理解：
这是安全编程的习惯，防止使用空指针导致程序崩溃。

使用内存（赋值）：

int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = i + 1; }

• *(p + i) = i + 1

  1. 知识点：指针算术运算

     p + i：p是首地址，p + 1会跳过一个int的大小（4 字节），指向下一个整数位置。

  2. 知识点：解引用操作

     *(p + i)：*是解引用操作符，意思是“访问这个地址里存放的值”。

  3. i + 1：赋值的内容，第一次循环是 1，第二次是 2，……，第五次是 5。

2.2 free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔是⽤来做动态内存的释放和回收的，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。

举个例⼦：

int main() { int* p = (int*)malloc(20); if (p == NULL) { perror("malloc"); return 1; } int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = i + 1; } //释放空间 free(p); //传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址 p = NULL; //防止其成为野指针，因此让它成为空指针 return 0; }

解析代码：
释放内存：

//释放空间 free(p); //传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址

知识点：内存释放

• free(p)释放malloc申请的内存

• 必须传递原始分配的内存起始地址

• 不能释放部分内存，只能全部释放

防止野指针：

p = NULL; //防止其成为野指针，因此让它成为空指针

知识点：野指针防护

• 释放后指针变成野指针（指向无效内存）

• 设为NULL防止误用

• 对NULL指针解引用会直接崩溃，便于调试

3. 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);

• 函数的功能是为 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：

int main() { int* p =(int*)calloc(5, sizeof(int)); if (p == NULL) { perror("calloc"); return 1; } int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { printf("%d ", *(p + i)); //输出00000 } free(p); p = NULL; return 0; }

输出结果：

解析代码：
使用 calloc 分配内存：

int* p = (int*) calloc(5, sizeof(int));

知识点：calloc 函数

• 作用：分配内存并初始化为0

• 参数1：元素个数（5个）

• 参数2：每个元素大小（sizeof(int)）

• 总大小：5 × 4 = 20字节（假设int为4字节）

• 与 malloc 的区别：

  1. malloc：只分配，不初始化（内容随机）

  2. calloc：分配并初始化为0

打印内存内容：

知识点：calloc 的特性验证

• calloc已将内存初始化为0

• 所以打印结果是：0 0 0 0 0

• 如果是malloc，这里会打印随机值

内存状态：

地址 值 p+0 → 0 p+1 → 0 p+2 → 0 p+3 → 0 p+4 → 0

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，那为了合理的使 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

函数原型如下：

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

• 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。
• 这个函数调整原内存空间⼤⼩的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
• 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⼤的空间

情况2：原有空间之后没有⾜够⼤的空间

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，原有空间之后没有⾜够多的空间时，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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意⼀些

int main() { //申请20个字节的空间 int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); if (p == NULL) { perror("malloc"); return 1; } //使用空间 int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = i + 1; } //将20个字节的空间调整为40个字节的空间 int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int)); if (ptr != NULL) { p = ptr; int i = 0; for (i = 5; i < 10; i++) { *(p + i) = i + 1; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } free(p); p = NULL; } else { perror("realloc"); free(p); p = NULL; } return 0; }

输出结果：

解析代码：
申请初始内存：

int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

解析：

• 申请能存放5个int的内存

• sizeof(int)：获取int类型的大小（通常是4字节）

• 5 * 4 = 20字节

• p指向这20字节内存的首地址

使用初始内存：

for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = i + 1; }

内存状态变化：

执行前： [随机值][随机值][随机值][随机值][随机值] 执行后： [ 1 ][ 2 ][ 3 ][ 4 ][ 5 ]

知识点：指针算术

• p + 0→ 第一个int的位置

• p + 1→ 第二个int的位置（跳4字节）

• *(p + i)→ 访问该位置的值

使用realloc扩容：

int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));

realloc的工作原理：

realloc(原指针, 新的大小);

三种可能情况：

情况1：原地扩容成功（最理想）

原内存： [1][2][3][4][5] ? ? ? ? ? ↑ 后面有足够空间，直接扩展 新内存： [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10] ptr = p（同一个地址）

情况2：需要移动到新位置

原内存： [1][2][3][4][5] ← 后面没空间了 新内存： [1][2][3][4][5][?][?][?][?][?] ← 在其他地方 步骤：1.分配新内存 2.复制数据 3.释放旧内存 ptr ≠ p（新地址）

情况3：扩容失败

realloc返回NULL 但原来的内存[1][2][3][4][5]还在！ p仍然指向它

处理realloc结果：

if (ptr != NULL) // 扩容成功 { p = ptr; // 更新指针 // 使用新增的内存 } else // 扩容失败 { // 还能使用原来的5个int // 但这里选择释放并退出 }

以上是部分的讲解内容，剩下的就放在下一章里面去!!!!!