C语言中的内存管理

在C语言中，内存管理是编程的重要环节，尤其是在动态分配内存时。标准库提供了四个常用的内存管理函数：malloc、calloc、realloc 和 free。正确使用这些函数可以提高程序的效率和灵活性，但误用可能导致内存泄漏或未定义行为。

1. `malloc`：分配指定大小的内存

介绍

malloc（Memory Allocation）用于动态分配一块指定大小的内存。
它返回一个指向分配内存的指针，类型为 void *，需要显式转换为适当的指针类型。
分配的内存内容未初始化。

函数原型

void *malloc(size_t size);

参数说明

size：需要分配的内存大小（以字节为单位）。

返回值

成功：返回分配内存的指针。
失败：返回 NULL。

代码案例

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

int main() {
    // 动态分配一个包含10个整数的内存块
    int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    
    // 检查内存是否分配成功
    if (arr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 初始化分配的内存
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        arr[i] = i + 1; // 将数组元素初始化为1到10
    }

    // 输出数组内容
    printf("数组内容：");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);

    return 0;
}

中文注释：

使用 malloc 动态分配了一个存储10个整数的内存块。
检查返回的指针是否为 NULL，确保分配成功。
使用循环对内存进行初始化并打印内容。
最后调用 free 释放分配的内存。

2. `calloc`：分配并初始化内存

介绍

calloc（Contiguous Allocation）分配一块连续的内存，并将内存初始化为零。
常用于需要清零的数组分配。

函数原型

void *calloc(size_t num, size_t size);

参数说明

num：要分配的元素数量。
size：每个元素的大小（以字节为单位）。

返回值

成功：返回分配内存的指针。
失败：返回 NULL。

代码案例

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

int main() {
    // 使用 calloc 分配10个整数的内存
    int *arr = (int *)calloc(10, sizeof(int));

    // 检查内存是否分配成功
    if (arr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 输出数组内容，初始化为0
    printf("数组内容：");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);

    return 0;
}

中文注释：

使用 calloc 动态分配内存，区别于 malloc，分配的内存被自动初始化为零。
验证分配是否成功并输出初始化的数组内容。
调用 free 释放内存。

3. `realloc`：调整已分配内存的大小

介绍

realloc 用于调整之前分配的内存块大小。
如果新大小大于原大小，新分配的部分内容未初始化；如果小于原大小，多余部分会被释放。

函数原型

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

参数说明

ptr：指向已分配内存的指针，若为 NULL，行为类似 malloc。
size：新的内存大小（以字节为单位）。

返回值

成功：返回调整后的内存指针。
失败：返回 NULL。

代码案例

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

int main() {
    // 初始分配5个整数的内存
    int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));

    // 检查内存是否分配成功
    if (arr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 初始化分配的内存
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 调整内存大小为10个整数
    arr = (int *)realloc(arr, 10 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("内存重新分配失败！\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 初始化新增的内存部分
    for (int i = 5; i < 10; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 输出数组内容
    printf("调整后数组内容：");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);

    return 0;
}

中文注释：

初始分配了一个包含5个整数的内存块。
使用 realloc 调整大小为10个整数，并初始化新增部分。
确保调整成功后，释放内存。

4. `free`：释放分配的内存

介绍

free 用于释放由 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。
释放后指针变为悬空指针，应设置为 NULL。

函数原型

void free(void *ptr);

参数说明

ptr：指向要释放的内存的指针。

注意事项

释放空指针（NULL）是安全的。
不要释放未动态分配的内存，否则会导致未定义行为。

代码案例

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

int main() {
    int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1;
    }

    // 使用内存...
    free(arr); // 释放内存
    arr = NULL; // 避免悬空指针

    return 0;
}

中文注释：