C语言详细分析讲解内存管理malloc realloc free calloc函数的使用

C语言内存管理

malloc && realloc && free && calloc

c语言中为了进行动态内存管理,中提供了几个函数帮助进行内存管理。

我们知道,C语言中是没有C++中的容器或者说是python中list,set这些高级的数据结构的,我们一旦申请了一段内存空间以后这一段空间就归你了,比如我们举个例子,我们申请一个数组

int nums[100];

上面这段代码是完全可行的,但是我们现在在不知道想要申请多少空间的情况下呢?比如说下面这个例子

int func(int n){
	int nums[n];
}

我们发现出错了,连编译都过不了,为什么呢?因为这段空间是编译过程中确定的,我们不能在程序运行过程中申请一段不确定大小的空间。

所以我初学的时候就解决不了这个问题,我采取了一个笨办法,就是申请一个足够大的空间,反正用不完,我内存大咋滴了,也不是不可以,这个方法确实解决了我当初的问题不是嘛,但是现在我们有更好的办法,就是动态的空间申请。

一、动态空间申请

// 函数原型
void *malloc(unsigned int num);

在堆区分配一块指定大小的内存空间,用来存放数据。这块内存空间在函数执行完成后不会被初始化,它们的值是未知的。

int func(int n){
    int *nums = (int *)malloc(sizeof(int)*n);
    return 0;
}

这样我们就解决了不能进行动态的申请内存的问题了,我不知道有没有读者注意到malloc函数的返回类型是空指针类型,这样的话就需要我们进行强制类型转换,我们在上面的函数中是将其转换为了int指针类型,这样的话我们指向的空间就可以存放int值,也就是说我们申请了一个大小为n的int数组。返回空指针在一定程度上实现了泛型。我们也可以对这个数组进行初始化。

int func(int n){
    int *nums = (int *)malloc(sizeof(int)*n);
    memset(nums,0,sizeof(int)*n);
    return 0;
}

如果说malloc是没有初始化的内存申请,那么calloc就带初始化的内存申请

// 函数原型
void* calloc(unsigned int num,unsigned int size);

原本两步的工作现在一步就完成了

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    return 0;
}

这里还有一个问题就是,这个空间不够用了怎么办,比如我们用数组实现栈,或者是队列,我们不能说一直动态的申请,或者不够了就加,实际上像python的list,他们在申请空间的时候都是多申请了一部分的,否则一会就加,一会就减,会影响效率,毕竟申请内存是需要向系统“打报告”的。

二、动态空间的扩容

我们之前申请的空间不够用了就需要扩容,我们可以用这个函数

// 函数原型
void *realloc(void *address,unsigned int newsize);

该函数重新分配内存,把内存扩展到 newsize。这里是扩展到多大,而不是扩展多少

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    nums = (int *)realloc(nums, sizeof(int)*n*2);
    return 0;
}

三、释放内存

当我们用完了这块动态内存空间时,我们需要手动释放,因为c没有智能的内存管理,只能依靠程序员自觉

// 函数原型
void free(void *address);

该函数释放 address 所指向的内存块,释放的是动态分配的内存空间。

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    nums = (int *)realloc(nums, sizeof(int)*n);
    free(nums);
    return 0;
}

这里我们需要注意两件事,第一件事,动态分配的内存必须释放,否则就会内存泄露,第二件事,结构体指针需要递归释放,务必释放干净

typedef struct Node {
    int val;
    struct Node *next;
} Node;
void freeNode(struct Node *head){
    while(head){
        struct Node* temp=head->next;
        free(head);
        head = temp;
    }
}

更新一点知识,VLA变长数组,其实这么写在GCC中也是可以通过的

int n=10;
int nums[n];

我一开始看到这些代码也是很疑惑的,C语言到底支持不支持VLA变长数组啊,查了一点资料。

C90标准中并不支持VLA,C99开始支持VLA,很大的一个原因:FORTRAN中支持这种写法。C99中对对VLA有一些限制,比如变长数组必须是自动存储类型,也就是说,如果我上面两句放在函数外面就就不能通过编译了,这是因为在函数外面定义的是全局变量,此外,使用VLA不能对数组进行初始化,因为它的长度在运行时才能确定。

此外VLA并不是真正的变长,它实际上只是将数组的长度推迟到运行时确定而已,也就是说C90标准中,数组的长度必须在编译时期就知道,但C99支持VLA后,数组的长度可以推迟到运行时知道,但是,一旦长度确定,数组的长度就不能变了。

另外我在VC中编译并不能通过,在Clion中也不行,但是我leetcode中提交的时候可以通过,也就是gcc其实是支持的。

我并不建议这么写,还是老老实实的malloc吧。

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