C语言动态内存分配

在进程的地址空间中，代码区、常量区、全局数据区的内存在程序启动时就已经分配好了，它们大小固定，不能由程序员分配和释放，只能等到程序运行结束由操作系统回收。这称为静态内存分配。

栈区和堆区的内存在程序运行期间可以根据实际需求来分配和释放，不用在程序刚启动时就备足所有内存。这称为动态内存分配。

使用静态内存的优点是速度快，省去了向操作系统申请内存的时间，缺点就是不灵活，缺乏表现力，例如不能控制数据的作用范围，不能使用较大的内存。而使用动态内存可以让程序对内存的管理更加灵活和高效，需要内存就立即分配，而且需要多少就分配多少，从几个字节到几个GB不等；不需要时就立即回收，再分配给其他程序使用。

栈和堆的区别

栈区和堆区的管理模式有所不同：栈区内存由系统分配和释放，不受程序员控制；堆区内存完全由程序员掌控，想分配多少就分配多少，想什么时候释放就什么时候释放，非常灵活。

程序启动时会为栈区分配一块大小适当的内存，对于一般的函数调用这已经足够了，函数进栈出栈只是 ebp、esp 寄存器指向的变换，或者是向已有的内存中写入数据，不涉及内存的分配和释放。当函数中有较大的局部数组时，比如 1024*10 个元素，编译器就会在函数代码中插入针对栈的动态内存分配函数，这样函数被调用时才分配内存，不调用就不分配。

我们经常听说“栈内存的分配效率要高于堆”就是这个道理，因为大部分情况下并没有真的分配栈内存，仅仅是对已有内存的操作。

动态内存分配函数

堆（Heap）是唯一由程序员控制的内存区域，我们常说的动态内存分配也是在这个区域。在堆上分配和释放内存需要用到C语言标准库中的几个函数：malloc()、calloc()、realloc() 和 free()。

这几个函数的具体用法在C标准库中已经进行了讲解（点击上面链接查看），这里不再赘述，仅作简单的对比，并给出一个综合示例。

1) malloc()

原型：void* malloc (size_t size);

作用：在堆区分配 size 字节的内存空间。

返回值：成功返回分配的内存地址，失败则返回NULL。

注意：分配内存在动态存储区（堆区），手动分配，手动释放，申请时空间可能有也可能没有，需要自行判断，由于返回的是void*，建议手动强制类型转换。

2) calloc()

原型：void* calloc(size_t n, size_t size);

功能：在堆区分配 n*size 字节的连续空间。

返回值：成功返回分配的内存地址，失败则返回NULL。

注意：calloc() 函数是对 malloc() 函数的简单封装，参数不同，使用时务必小心，第一参数是第二参数的单元个数，第二参数是单位的字节数。

3) realloc()

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

功能：对 ptr 指向的内存重新分配 size 大小的空间，size 可比原来的大或者小，还可以不变（如果你无聊的话）。

返回值：成功返回更改后的内存地址，失败则返回NULL。

4) free()

原型：void free(void* ptr);

功能：释放由 malloc()、calloc()、realloc() 申请的内存空间。

几点注意

1) 每个内存分配函数必须有相应的 free 函数，释放后不能再次使用被释放的内存。

2) 在分配内存时最好不要直接用数字指定内存空间的大小，这样不利于程序的移植。因为在不同的操作系统中，同一数据类型的长度可能不一样。为了解决这个问题，C语言提供了一个判断数据类型长度的操作符，就是 sizeof。

3) free(p) 并不能改变指针 p 的值，p 依然指向以前的内存，为了防止再次使用该内存，建议将 p 的值手动置为 NULL。

sizeof 是一个单目操作符，不是函数，用以获取数据类型的长度时必须加括号，例如 sizeof(int)、sizeof(char) 等。

最后是一个综合的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define  N  (5)
#define  N1 (7)
#define  N2 (3)
int main()
{
    int *ip;
    int *large_ip;
    int *small_ip;
    if((ip = (int*)malloc(N * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    int i;
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        ip[i] = i;
        printf("ip[%d] = %d\t", i, ip[i]);
    }
    printf("\n");
    if((large_ip = (int* )realloc(ip, N1 * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    for(i = N; i < N1; i++)
        large_ip[i] = 9;
    for(i = 0; i < N1; i++)
        printf("large_ip[%d] = %d\t", i, large_ip[i]);
    printf("\n");
    if((small_ip = (int*)realloc(large_ip, N2 * sizeof(int))) == NULL)
    {
        printf("memory allocated failed!\n");
        exit(1);
    }
    for(i = 0; i < N2; i++)
        printf("small_ip[%d] = %d\t", i, small_ip[i]);
    printf("\n");
    free(small_ip);
    small_ip = NULL;
    system("pause");
    return 0;
}

运行结果：

代码说明：

1) 代码看似很长，其实较为简单，首先分配一个包含5个整型的内存区域，分别赋值0到4；再用realloc函数扩大内存区域以容纳7个整型数，对额外的两个整数赋值为9；最后再用realloc函数缩小内存区域，直接输出结果（因为realloc函数会自动复制数据）。

2) 这次把分配函数与验证返回值验证写在了一起，为的是书写方便，考虑到优先级问题添加了适当的括号，这种写法较为常用，注意学习使用。

3) 本例free函数只用释放small_ip指针即可，如函数介绍中注意里提到的，另外两个指针已被系统回收，不能再次使用。