使用 malloc()、calloc() 函数在 C 语言中进行动态内存分配

在学习 C 动态内存分配之前，让我们先了解：

C 语言中的内存管理如何工作？

当你使用基本数据类型声明一个变量时，C 编译器会自动在内存池中为该变量分配内存空间，该内存池称为 堆.

例如，声明一个浮点变量时，它通常占用 4 个字节（根据平台）。我们可以使用 大小 运算符如下例所示

#include <stdio.h>
int main() { float x; printf("The size of float is %d bytes", sizeof(x)); return 0;}

输出将是：

 The size of float is 4 bytes

此外，具有指定大小的数组被分配在连续的内存块中，每个块都有一个元素的大小：

#include <stdio.h>
int main() { float arr[10];
printf("The size of the float array with 10 element is %d", sizeof(arr)); return 0;}

结果是：

 The size of the float array with 10 element is 40

到目前为止，我们已经知道，声明基本数据类型或数组时，内存是自动管理的。但是，C 语言中有一个分配内存的过程，它允许您实现一个程序，其中数组大小在运行程序（运行时）之前是不确定的。这个过程称为“动态内存分配设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“

现在，您可以在运行时动态创建和销毁元素数组，而不会出现任何问题。总而言之，自动内存管理使用堆栈，而 C 动态内存分配使用堆。

这库具有负责动态内存管理的函数。

功能	目的
malloc（）	分配请求大小的内存并返回指向第一个字节的指针 已分配空间。
调用（）	为数组元素分配空间。将元素初始化为零并返回指向内存的指针。
重新分配（）	用于修改先前分配的内存空间的大小。
自由的（）	释放或清空先前分配的内存空间。

让我们讨论一下上述函数及其应用

malloc() 函数的语法：

ptr = (cast_type *) malloc (byte_size);

在这里，

• ptr 是 cast_type 的指针。
• C malloc() 函数返回指向分配的 byte_size 内存的指针。

malloc()的示例：

Example: ptr = (int *) malloc (50)

当该语句执行成功后，会保留50字节的内存空间，保留空间第一个字节的地址赋给int类型的指针ptr。

考虑另一个例子：

#include <stdlib.h>
int main(){
int *ptr;
ptr = malloc(15 * sizeof(*ptr)); /* a block of 15 integers */
    if (ptr != NULL) {
      *(ptr + 5) = 480; /* assign 480 to sixth integer */
      printf("Value of the 6th integer is %d",*(ptr + 5));
    }
}

输出：

Value of the 6th integer is 480

1. 注意到 sizeof(*ptr) 被用来代替 大小（int） 以便在稍后将 *ptr 声明转换为不同的数据类型时使代码更加健壮。
2. 如果内存不足，分配可能会失败。在这种情况下，它会返回一个 NULL 指针。因此，您应该包含代码来检查 NULL 指针。
3. 请记住，分配的内存是连续的，可以将其视为数组。我们可以使用指针算法来访问数组元素，而不是使用括号 [ ]。我们建议使用 + 来引用数组元素，因为使用增量 ++ 或 += 会更改数组存储的地址 指针.

Malloc() 函数还可以与字符数据类型以及结构等复杂数据类型一起使用。

例如：

#include <stdio.h>
int main() {
int* ptr = malloc(10 * sizeof(*ptr));
if (ptr != NULL){
  *(ptr + 2) = 50;
  printf("Value of the 2nd integer is %d",*(ptr + 2));
}
free(ptr);
}

输出：

 Value of the 2nd integer is 50

calloc() 函数的语法：

ptr = (cast_type *) calloc (n, size);

• 上述语句用于分配n个大小相同的内存块。
• 分配内存空间后，所有字节都被初始化为零。
• 返回当前位于分配的内存空间第一个字节的指针。

每当分配内存空间出现错误（例如内存不足）时，就会返回空指针。

calloc()的示例：

下面的程序计算算术序列的总和。

#include <stdio.h>
    int main() {
        int i, * ptr, sum = 0;
        ptr = calloc(10, sizeof(int));
        if (ptr == NULL) {
            printf("Error! memory not allocated.");
            exit(0);
        }
        printf("Building and calculating the sequence sum of the first 10 terms \ n ");
        for (i = 0; i < 10; ++i) { * (ptr + i) = i;
            sum += * (ptr + i);
        }
        printf("Sum = %d", sum);
        free(ptr);
        return 0;
    }

结果：

Building and calculating the sequence sum of the first 10 terms
Sum = 45

calloc() 与 malloc()：主要区别

以下是 malloc() 与 calloc() 在C中：

calloc() 函数通常比 malloc() 函数更合适、更高效。虽然这两个函数都用于分配内存空间，但 calloc() 可以一次分配多个块。您不必每次都请求一个内存块。calloc() 函数用于需要更大内存空间的复杂数据结构。

C 语言中 calloc() 分配的内存块始终初始化为零，而在 C 语言中的 malloc() 函数中，它始终包含垃圾值。

realloc() 函数的语法：

ptr = realloc (ptr,newsize);

上述语句在变量 newsize 中分配了一个新的具有指定大小的内存空间。执行该函数后，指针将返回到内存块的第一个字节。新大小可以大于或小于以前的内存。我们无法确定新分配的块是否指向与前一个内存块相同的位置。此函数将复制新区域中所有以前的数据。它确保数据保持安全。

realloc()的示例：

#include <stdio.h>
int main () {
   char *ptr;
   ptr = (char *) malloc(10);
   strcpy(ptr, "Programming");
   printf(" %s,  Address = %u\n", ptr, ptr);

   ptr = (char *) realloc(ptr, 20); //ptr is reallocated with new size
   strcat(ptr, " In 'C'");
   printf(" %s,  Address = %u\n", ptr, ptr);
   free(ptr);
   return 0;
}

每当C语言中的realloc()操作不成功时，它都会返回一个空指针，并且先前的数据也会被释放。

#include <stdio.h>
    int main() {
        int * arr_dynamic = NULL;
        int elements = 2, i;
        arr_dynamic = calloc(elements, sizeof(int)); //Array with 2 integer blocks
        for (i = 0; i < elements; i++) arr_dynamic[i] = i;
        for (i = 0; i < elements; i++) printf("arr_dynamic[%d]=%d\n", i, arr_dynamic[i]);
        elements = 4;
        arr_dynamic = realloc(arr_dynamic, elements * sizeof(int)); //reallocate 4 elements
        printf("After realloc\n");
        for (i = 2; i < elements; i++) arr_dynamic[i] = i;
        for (i = 0; i < elements; i++) printf("arr_dynamic[%d]=%d\n", i, arr_dynamic[i]);
        free(arr_dynamic);
    }

屏幕上的 C 动态数组程序结果：

 
arr_dynamic[0]=0
arr_dynamic[1]=1
After realloc
arr_dynamic[0]=0
arr_dynamic[1]=1
arr_dynamic[2]=2
arr_dynamic[3]=3

总结

• 我们可以通过在堆中根据需要创建内存块来动态管理内存
• 在 C 动态内存分配中，内存是在运行时分配的。
• 动态内存分配允许操作字符串和数组，其大小灵活，可以在程序中随时更改。
• 当您不知道特定结构将占用多少内存时，它是必需的。
• C 语言中的 Malloc() 是一个动态内存分配函数，它代表内存分配，将特定大小的内存块初始化为垃圾值
• C 语言中的 Calloc() 是一个连续的内存分配函数，它一次分配多个初始化为 0 的内存块
• C 语言中的 Realloc() 用于根据指定的大小重新分配内存。
• Free()函数用于清除动态分配的内存。