malloc calloc realloc 作用、用法、区别、实现原理

C 标准函数库提供了许多函数来实现对堆上内存管理，其中包括：malloc函数，free函数，calloc函数和realloc函数。使用这些函数需要包含头文件stdlib.h。

malloc

声明：void *malloc(size_t size);

作用：分配足够的内存给大小为size的对象, 并返回指向所分配区域的第一个字节的指针;
若内存不够,则返回NULL. 不对分配的空间进行初始化.

用法：char *p = (char *)malloc(sizeof(char));

calloc

声明：void *calloc(size_t nobj, size_t size);

作用：分配足够的内存给nobj个大小为size的对象组成的数组, 并返回指向所分配区域的第一个字节的指针;
若内存不够,则返回NULL. 该空间的初始化大小为0字节.

用法：char *p = (char *) calloc(100,sizeof(char));


realloc

声明：void *realloc(void *p, size_t size);

作用：将p所指向的对象的大小改为size个字节.
如果新分配的内存比原内存大, 那么原内存的内容保持不变, 增加的空间不进行初始化.
如果新分配的内存比原内存小, 那么新内存保持原内存的内容, 增加的空间不进行初始化.
返回指向新分配空间的指针; 若内存不够,则返回NULL, 原p指向的内存区不变.

用法：char *p = (char *)malloc(sizeof(char));

区别：

1）通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化 

malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。因此，一般在使用该内存空间时，要调用另一个函数memset来将其初始化为全0，memset函数的声明如下：void * memset (void * p,int c,int n) ;
该函数可以将指定的内存空间按字节单位置为指定的字符c，其中，p为要清零的内存空间的首地址，c为要设定的值，n为被操作的内存空间的字节长度。如果要用memset清0，变量c实参要为0。

malloc函数和memset函数的操作语句一般如下：

int * p=NULL;
p=(int*)malloc(sizeof(int));
if(p==NULL)
 printf(“Can’t get memory!\n”);
memset(p,0,siezeof(int));


2）使用malloc函数分配的堆空间在程序结束之前必须释放 

从堆上获得的内存空间在程序结束以后，系统不会将其自动释放，需要程序员来自己管理。一个程序结束时，必须保证所有从堆上获得的内存空间已被安全释放，否则，会导致内存泄露。
我们可以使用free()函数来释放内存空间，但是，free函数只是释放指针指向的内容，而该指针仍然指向原来指向的地方，此时，指针为野指针，如果此时操作该指针会导致不可预期的错误。安全做法是：在使用free函数释放指针指向的空间之后，将指针的值置为NULL。

3）calloc函数的分配的内存也需要自行释放

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存,它与malloc函数的一个显著不同时是，calloc函数得到的内存空间是经过初始化的，其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将n设置为数组的容量。

4）如果要使用realloc函数分配的内存，必须使用memset函数对其内存初始化

realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富，可以实现内存分配和内存释放的功能。realloc 可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变。当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。realloc 并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址。相反，realloc 返回的指针很可能指向一个新的地址。

所以，在代码中，我们必须将realloc返回的值，重新赋值给 p :
p = (int *) realloc(p, sizeof(int) *15);
甚至，你可以传一个空指针（0）给 realloc ，则此时realloc 作用完全相当于malloc。
int* p = (int *)realloc (0,sizeof(int) * 10);   //分配一个全新的内存空间，
这一行，作用完全等同于：
int* p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);

实现原理


malloc、calloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存连接为一个长长的链表（即所谓的空闲链表）。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块，然后将该内存块一分为二（一块的大小与用户申请的大小一样，另一块就是剩下的字节），接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话），返回到链表上，调用free函数 时，它将用户释放的内存块连接到空链上，到最后，空闲链表会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可能满足用户要求的片段了，于是malloc函数请求延时，并开始在空间中翻箱倒柜的检查内存片段，对它们进行整理，并将相邻的小空闲块合成较大的内存块

realloc是从堆空间上分配内存，当扩大一块内存空间时，realloc试图直接从现存的数据后面的哪些字节中获得附加的字节，如果能够满足，自然天下太平，那么如果后面的字节不够，问题就来了，那么就使用堆上第一个足够满足要求的自由空间块，现存的数据然后就被拷贝到新的位置上，而老块则放回堆空间，这句话传递的一个很重要的信息就是数据可能被移动。