掌握C语言动态内存分配

动态内存分配是C语言中一个非常重要的概念，它允许程序在运行时根据需要申请和释放内存。与静态内存分配不同，动态内存分配可以在程序执行过程中灵活地调整内存使用情况，这对于处理大小不确定的数据结构（如链表、树等）尤其重要。

在C语言中，动态内存分配主要通过标准库中的四个函数实现：malloc、calloc、realloc 和 free。下面我们将详细介绍这些函数的用法、注意事项以及如何避免常见的陷阱。

1. 动态内存分配函数

1.1 malloc

malloc 函数用于分配指定大小的内存块，并返回指向该内存块的指针。如果无法分配所需内存，则返回 NULL。

原型：

void *malloc(size_t size);

示例：

int *ptr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    printf("内存分配失败\n");
} else {
    // 使用 ptr 指向的内存
}

1.2 calloc

calloc 函数用于分配多个连续的内存块，并将这些内存块初始化为零。它通常用于分配数组。

原型：

void *calloc(size_t num, size_t size);

示例：

int *arr = (int *)calloc(10, sizeof(int));
if (arr == NULL) {
    printf("内存分配失败\n");
} else {
    // arr 中的所有元素都被初始化为 0
}

1.3 realloc

realloc 函数用于调整已分配内存块的大小。如果新大小大于原大小，则新增部分未初始化；如果小于原大小，则多余部分被释放。

原型：

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

示例：

int *ptr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
// ... 使用 ptr ...
ptr = (int *)realloc(ptr, 10 * sizeof(int));  // 扩展到 10 个 int
if (ptr == NULL) {
    printf("内存重新分配失败\n");
}

1.4 free

free 函数用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。

原型：

void free(void *ptr);

注意：

• 不要释放未分配的内存。
• 不要多次释放同一块内存。

2. 内存泄漏与越界访问

2.1 内存泄漏

内存泄漏是指程序在运行过程中分配了内存但未能正确释放，导致内存资源浪费。为了避免内存泄漏，必须确保每一块动态分配的内存最终都被释放。

示例：

void example() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (ptr != NULL) {
        *ptr = 10;
    }
    // 忘记调用 free(ptr)，导致内存泄漏
}

2.2 越界访问

越界访问是指访问超出分配范围的内存区域，这可能导致程序崩溃或产生不可预测的行为。

示例：

int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
if (arr != NULL) {
    arr[5] = 10;  // 错误：访问超出分配范围的内存
}
free(arr);

3. 动态内存分配的典型应用场景

3.1 动态数组

当数组大小在编译时未知时，可以使用动态内存分配。

示例：

int n;
printf("请输入数组大小: ");
scanf("%d", &n);

int *arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
    printf("内存分配失败\n");
} else {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    free(arr);
}

3.2 链表

链表是一种典型的动态数据结构，其节点通常通过动态内存分配创建。

示例：

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

Node *create_node(int value) {
    Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if (new_node != NULL) {
        new_node->data = value;
        new_node->next = NULL;
    }
    return new_node;
}

void destroy_list(Node *head) {
    Node *current = head;
    while (current != NULL) {
        Node *next = current->next;
        free(current);
        current = next;
    }
}

4. 动态内存分配的流程图

以下是动态内存分配的基本流程图：

graph TD
    A[开始] --> B{需要内存?}
    B --是--> C[调用 malloc/calloc]
    C --> D{分配成功?}
    D --否--> E[处理错误]
    D --是--> F[使用内存]
    F --> G[调用 free]
    G --> H[结束]

总结

动态内存分配是C语言中一项强大的功能，但也容易引发内存泄漏和越界访问等问题。因此，在使用动态内存分配时，务必遵循以下原则：

• 始终检查分配是否成功。
• 在不再需要时及时释放内存。
• 避免访问未分配或已释放的内存。