认识C语言的动态内存分配

1. 引言

    数组是存储在连续内存位置的项的集合，在实际使用中，往往需要增加或减少数组长度，这种情况下出现了动态内存分配（Dynamic Memory Allocation）。在程序运行时，改变数据结构（例如数组）大小的过程就被定义为C语言的动态内存分配。在 /usr/include/stdlib.h 头文件中，C定义了4个函数，以方便C编程中的动态内存分配，它们是malloc()、calloc()、realloc()和free()，分别用于分配、重新分配和释放内存。

2. 动态内存分配

2.1 malloc()和calloc()的使用方法

    malloc（memory allocation的缩写）方法用于动态分配具有指定大小的单个大块内存。它返回void类型的指针，其指针类型可以灵活转换，同时使用默认garbage value（内存中存储的随机值）初始化内存块。其语法格式为：
    ptr = (指针转换格式*) malloc(分配的字节数)
    例如：

ptr = (int*) malloc(100 * sizeof(int));

    一般情况下int占用4字节，整个语句会分配400字节的内存，指针ptr以int形式存储首字节的地址。如果空间不足，则分配失败并返回空（NULL）指针。示例：

#include
#include
int main(void)
{
    int i=0,num;
    printf("Please input the number of memory, the suggest range is [0,256]: ");
    scanf("%d",&num);
    int * ptr;
    ptr=(int *)malloc(num * sizeof(int));

    if ( ptr == NULL )
    {
        printf("Your input number is out of range.\n");
        exit(66);
    }
    else
    {
        while(i<num)
        {
            printf("ptr[%d] = %d, ptr address is %p\n", i, ptr[i], ptr+i);
            i++;
        }
    }
    free(ptr);
}

    正常情况下打印分配的内存内容及地址：

Please input the number of memory, the suggest range is [0,256]: 2
ptr[0] = 0, ptr address is 0x16eb010
ptr[1] = 0, ptr address is 0x16eb014

    如果需要分配的内存过大，返回空指针：

Please input the number of memory, the suggest range is [0,256]: 999999999
Your input number is out of range.

    calloc（continuous allocation的缩写）方法与malloc()类似，用于动态分配指定类型的指定数量的内存块。它用默认值“0”初始化每个块。语法格式为：

ptr = (指针转换格式*)calloc(元素总数, 单一元素所占字节数);

2.2 malloc()和calloc()的区别

    程序将它的可用内存分为3部分来存储变量：存储静态变量的静态存储区、存储自动变量的栈、存储动态分配变量的堆。静态变量的生命周期贯穿程序始终；自动变量位于函数代码块中，随着函数的逐层调用开始占用内存，随着函数调用结束反向释放内存，符合栈后进先出的特点；动态分配变量的特点是可以在一个函数中创建内存块，在其他函数中释放，存取灵活的同时会造成内存使用的碎片化，所以动态内存往往导致进程比使用栈内存慢。

    malloc()和calloc()是动态分配内存的库函数，这意味着在程序执行时从堆（heap）中分配内存。它们的区别不大：

• 初始化：malloc()不初始化分配的内存，如果在初始化内存之前访问内存内容，可能会得到 segmentation fault error 或是 garbage value；calloc()分配内存并将内存块初始化为0。
• 当malloc()分配单一元素的内存大小时，配合memset()函数实现与calloc()相同的功能。

ptr = malloc(size); 
memset(ptr, 0, size);

    一般使用malloc()而不是calloc()，因为malloc()比calloc()快，除非需要将内存初始化为0。如果需要复制内存，malloc将是一个更好的选择。

2.3 free()和realloc()

    free()方法用于动态地取消分配内存。使用函数malloc(和calloc()分配的内存不会自行释放分配。因此，每当动态内存分配发生时，都会通过free()方法释放内存来减少内存的浪费。语法为：

free(ptr);

    realloc（reallocation）方法用于动态更改以前分配的内存大小。换言之，如果先前借助malloc或calloc分配的内存不足，则可以使用realloc动态扩大变量占用的内存。原有内存块将保持现有值，新块将使用默认garbage value初始化。语法为：

ptr = realloc(ptr, newSize);

where ptr is reallocated with new size 'newSize'.

参考文献

[1] RishabhPrabhu.Dynamic Memory Allocation in C using malloc(), calloc(), free() and realloc()[EB/OL].https://www.geeksforgeeks.org/dynamic-memory-allocation-in-c-using-malloc-calloc-free-and-realloc/,2020-01-01.
[2] chakradharkandula, shubham_singh, Navfal, HarshitHiremath.Difference Between malloc() and calloc() with Examples[EB/OL].https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-malloc-and-calloc-with-examples/,2020-01-01.
[3] ElementLS.堆栈的知识[EB/OL].https://zhuanlan.zhihu.com/p/34681978,2018-03-21.