C语言中的动态内存管理

在C语言中，动态内存管理是通过一系列的标准库函数来实现的，这些函数包括malloc, free, calloc 和 realloc。它们允许程序在运行时动态地分配和释放内存，这是管理复杂数据结构（如链表、树等）时非常有用的功能。

为什么存在动态内存分配

一些常规的内存开辟方式有：

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：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

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。这时候就只能试试动态存开辟了。

malloc

C 语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

malloc函数用于分配一块指定大小的内存区域。分配的内存是原始的，即未初始化，其中的值是未定义的。

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，因此一定要检查malloc的返回值。

返回值的类型是 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。

free函数可以返回之前通过malloc等函数分配的内存。free(ptr)释放ptr指向的内存块。释放后，ptr不再指向一块有效的内存。

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。

示例：
 

#include 
#include 

int main() {
    int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配一个整数大小的内存
    if(ptr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    
    *ptr = 10; // 在分配的内存中存储值
    printf("Value at ptr: %d\n", *ptr);
    
    free(ptr); // 释放内存
    ptr = NULL; 
    return 0;
}

这段代码使用malloc分配了足够存储一个整数的内存。然后检查malloc返回的指针，确保内存分配成功。接着在分配的内存中存储一个值，最后使用free释放内存，防止内存泄漏。

calloc

C语言还提供了一个函数叫calloc。calloc函数与 malloc类似，但有两个不同点：它接受两个参数，用于指定元素的数量和每个元素的大小，并且分配的内存区域会自动初始化为零。

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 。

#include 
#include 
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

所以如果对申请的内存空间要求初始化，则可以很方便的使用calloc函数完成任务。

realloc

realloc函数用于重新调整之前分配的内存块的大小。这可以用于增大或减小内存块。它的出现让动态内存管理更加灵活。比如有时候觉得申请的空间过大或者过小，这时候要对内存的大小做灵活的调整。realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整。

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

ptr是要调整的内存地址，size是调整之后的新大小。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。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：原有空间之后没有足够大的空间 。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。

示例：

#include 
#include 

int main() {
    int *ptr = (int*)malloc(2 * sizeof(int)); // 初始分配2个整数大小的内存
    if(ptr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    
    ptr[0] = 1;
    ptr[1] = 2;
    
    // 重新调整为4个整数大小的内存
    int *new_ptr = (int*)realloc(ptr, 4 * sizeof(int));
    if(new_ptr == NULL) {
        printf("Re-allocation failed\n");
        free(ptr);
        return 1;
    }
    
    new_ptr[2] = 3;
    new_ptr[3] = 4;
    
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        printf("%d ", new_ptr[i]); // 打印新分配的数组
    }
    
    free(new_ptr); // 释放内存
    return 0;
}

首先通过malloc分配了一个有2个整数的数组。然后使用realloc增加这个数组的大小至4个整数。在新分配的内存中存储更多的值，然后打印出新的内存块中的所有值。最后使用free释放内存。

需要注意的是每次调用malloc, calloc 和 realloc最终都需要调用free来释放内存，以避免内存泄漏。