如何在程序运行的时候动态给程序分配内存？

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1 动态内存分配的意义

在C语言中，一切操作都是基于内存的。变量和数组名都是内存别名。但是它们的内存分配却是在编译期间由编译器决定的。定义数组的长度的时候，必须指定长度，这是在编译期间就要确定的。

但是，需求总是有的。比如当我们无法在编译期间确定到底需要多大的内存块，此时就无法定义数组的大小（或者定义的数组大小不够）。此时就需要在运行的时候根据实际的情况（比如根据输入的数据的大小），来动态的申请内存空间，然后让数组（指针）指向这块新申请的内存。

这就是动态内存分配的意义。

1.1 C语言中如何动态申请内存空间

  • malloc和free用于动态申请内存和释放内存

它们的操作对象是堆空间内存（内存池）如下图：

注意：malloc和free必须是成对出现的，这样可以避免内存泄露。关于内存泄露，后面还有文章进行学习。

1.2 malloc和free的用法

malloc和free的函数定义如下：

  • malloc所分配的是一块连续的内存，参数size是所分配的内存字节数。
  • malloc的返回值是void* ，具体使用的时候需要做强制类型转换
  • free用于将申请的动态内存归还给系统

关于malloc和free，有以下几点需要注意：

  1. malloc和free是库函数，不是系统调用
  2. malloc实际分配的内存，可能比请求的多。这是因为CPU访问内存是按照一种内存对齐的方式来访问的。所以一般申请的内存都是对齐内存的整数倍
  3. 当请求的动态内存无法满足的时候，malloc返回NULL
  4. 当free的参数为NULL的时候，函数直接返回。
  5. malloc申请的动态内存中的数据是随机值，不会被初始化为0

至于malloc和free的用法，在前面的文章已经学会使用了，这里不再给出例子，直接看前面的文章吧：二维数组与二维指针

以及在后面的文章中，会给出一个内存泄露检测模块，来巩固malloc与free的使用。自行去后面的文章查看。

1.3 calloc与realloc

函数原型为;

  • calloc的参数：num个类型长度为size的内存空间大小。也就是申请的内存的类型信息（大小和类型）
  • calloc会将申请的内存空间初始化为0
  • realloc用于修改原先已经分配的内存块大小
    1. 当realloc的第一个参数pointer为NULL时，realloc相当于malloc
    2. realloc一般是重新找一块新的内存块进行分配，而不是在原有的内存的结尾增加。

1.31 calloc和realloc的代码案例分析

  • 代码：38-2.c
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

#define SIZE 5
int main() {

	int  i = 0;
	int* pI = (int*)malloc(SIZE * sizeof(int));
	short* pS = (short*)calloc(SIZE, sizeof(short));

	for (i = 0; i < SIZE; i++) {
		printf("pI[%d] = %d, pS[%d] = %d\n", i, pI[i], i, pS[i]);
	}

	printf("Before: pI = %p\n", pI);

	pI = (int*)realloc(pI, 2 * SIZE * sizeof(int));

	printf("After: pI = %p\n", pI);

	for (i = 0; i < 10; i++) {
		printf("pI[%d] = %d\n", i, pI[i]);
	}

    printf("\n");
	pS = (short*)realloc(pS, 2 * SIZE * sizeof(short));
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		printf("pS[%d] = %d\n", i, pS[i]);
	}
	free(pI);
	free(pS);

	return 0;
}
  • 上述代码运行结果：

Linux下gcc 4.4.5编译：

Windows下 VS 2017运行如下:

  • 分析：
  1. 首先代码很很简单。无非就是使用了malloc，calloc和realloc三个函数。其中我们可以看到，在Linux下的gcc4.4.5编译器将malloc申请的内存的内容也都是0，并不是随机值。但是这只是巧合或者gcc编译器优化了而已。在windows下的vs2017编译器就很明显，malloc申请的内存的内容都是随机值
  2. 根据两个结果，可知道，使用realloc后，内存的地址变了，也就是说realloc是重新选择一块内存进行分配，并不是在原有的内存空间结尾增加
  3. 也可以看到不管是在linux下还是在windows下，calloc申请的内存的内容都被初始化为0了
  4. 从windows下的编译运行结果来看，使用realloc对之前使用calloc申请的内存重新分配内存后，原有的内容不变，但是新添加的内容并不是0，而是随机值，这个也要注意。

所以最终总结为：只有calloc胡为分配的内存的内容初始化为0，malloc和realloc都是随机值。

2 总结

  • 动态内存分配使得程序在需要的时候有机会获得更大的内存
  • malloc单纯的从系统中申请固定字节大小的内存。内存中的内容是随机值
  • calloc 申请的内存的内容被初始化为0
  • realloc用于重置内存的大小。但是是重新在堆空间中选一块内存而不是在原有的内存后面增加。并且，重置的内存中，原有的内容不变，但是如果内存变大，多余的部分的内存的内容是随机值。
  • 注意上述三者函数的参数与返回类型
  • 学会使用上述三者函数