【C语言教程】【常用类库】（五）动态内存分配 - ＜stdlib.h＞

5. 动态内存分配 - <stdlib.h>

在 C 语言中，动态内存分配允许程序在运行时请求内存空间，增加了灵活性以适应内存使用的动态需求。stdlib.h 提供了一组函数用于实现这一功能，包括 malloc、calloc、realloc 和 free。

5.1. 基础动态内存操作

5.1.1. malloc 和 calloc

• malloc (memory allocation)

  • 作用：分配指定字节大小的内存块，但不初始化内存。
  • 用法：

    int *array;
    array = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配10个int大小的内存
    

  • 注意事项：若内存分配失败，malloc 返回 NULL，应检查返回指针是否为 NULL。

• calloc (contiguous allocation)

  • 作用：分配内存并初始化为零。
  • 用法：

    int *array;
    array = (int *)calloc(10, sizeof(int)); // 分配并初始化10个int大小的内存
    

  • 优点：自动将分配的内存初始化为零，防止潜在的未初始化问题。

5.1.2. realloc 和 free

• realloc (reallocation)

  • 作用：调整之前已分配内存块的大小。
  • 用法：

    array = (int *)realloc(array, 20 * sizeof(int)); // 调整内存大小为20个int
    

  • 注意事项：可以收缩或扩展内存块；在扩展时可能会移动内存块，因此一定要用新指针接收返回值。

• free

  • 作用：释放之前分配的内存。
  • 用法：

    free(array); // 释放内存
    

  • 注意事项：释放后应将指针置 NULL 以避免“悬挂指针”问题。

5.2. 内存分配策略与最佳实践

5.2.1. 避免内存泄露

• 内存泄露：在程序中未释放不再需要的内存，从而导致内存逐渐减少。
• 避免策略：
  • 每次 malloc 或 calloc 后，即使在异常退出情况下，也应确保调用 free。
  • 避免在局部作用域的 if、switch 或 loop 中分配的内存没有被释放。
  • 使用工具如 Valgrind 检查内存泄露。

5.2.2. 内存对齐及其重要性

• 内存对齐：保证数据在内存中按特定字节边界排列，这是很多系统所需要的。
• 重要性：
  • 提高程序执行效率，因为许多处理器读取内存时要求数据对齐。
  • 不对齐的数据访问可能导致性能下降，甚至在某些架构上导致程序崩溃。

以下是一个示例，展示了动态内存分配和释放操作：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *data;
    // 分配10个整数的数组
    data = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (data == NULL) {
        perror("Allocation failed");
        return 1;
    }

    // 使用数据
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        data[i] = i * 10;
        printf("%d ", data[i]);
    }

    // 调整大小
    data = (int *)realloc(data, 20 * sizeof(int));
    if (data == NULL) {
        perror("Reallocation failed");
        return 1;
    }

    // 继续使用扩展后的数据
    for (int i = 10; i < 20; i++) {
        data[i] = i * 10;
        printf("%d ", data[i]);
    }

    // 释放内存
    free(data);
    data = NULL; // 避免悬挂指针
    
    return 0;
}

在上面的代码中，我们展示了如何使用 malloc、realloc 和 free 来管理动态内存，包括分配、调整大小和释放操作。在整个操作中，确保检查内存分配是否成功，并在释放后将指针置 NULL 以保护程序的稳定性。