Linux C 堆內存管理函數malloc()、calloc()、realloc()、free()詳解

C 編程中，經常需要操作的內存可分為下面幾個類別：

1. 堆棧區（stack）：由編譯器自動分配與釋放，存放函數的參數值，局部變量，臨時變量等等，它們獲取的方式都是由編譯器自動執行的
2. 堆區（heap）：一般由程序員分配與釋放，基程序員不釋放，程序結束時可能由操作系統回收（C/C++沒有此等回收機制，Java/C#有），注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表。
3. 全局區（靜態區）（static）：全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊兒的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域，未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。程序結束后由系統釋放。
4. 文字常量區：常量字符串是放在這里的，程序結束后由系統釋放。
5. 程序代碼區：存放函數體的二進制代碼。

C 標准函數庫提供了許多函數來實現對堆上內存管理，其中包括：malloc()函數，free()函數，calloc()函數和realloc()函數。使用這些函數需要包含頭文件stdlib.h。它們的聲明如下：

• void * malloc(size_t n);
• void free(void * p);
• void *calloc(size_t n, size_t size);
• void * realloc(void * p, size_t n);

1、malloc()函數

malloc()函數可以從堆上獲得指定字節的內存空間，其函數聲明如下：

void * malloc(size_t n);

其中，形參n為要求 分配的字節數。如果函數執行成功，malloc()返回獲得內存空間的首地址；如果函數執行失敗，那么返回值為NULL。由於 malloc()函數值的類型為void型指針，因此，可以將其值類型轉換后賦給任意類型指針，這樣就可以通過操作該類型指針來操作從堆上獲得的內存空間。

需要注意的是，malloc()函數分配得到的內存空間是未初始化的。因此，一般在使用該內存空間時，要調用另一個函數memset來將其初始化為全0。memset函數的聲明如下：

void * memset (void * p, int c, size_t n);

該函數可以將指定的內存空間按字節單位置為指定的字符c。其中，p為要清零的內存空間的首地址，c為要設定的值，n為被操作的內存空間的字節長度。如果要用memset清0，變量c實參要為0。malloc()函數和memset函數的操作語句一般如下：

int *p = NULL;
p = (int *) malloc(sizeof(int));

if (p == NULL)
{
	printf("Can’t get memory!\n");
}

memset(p, 0, sizeof(int));

注意：通過malloc()函數得到的堆內存必須使用memset()函數來初始化。

示例代碼：

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

int main()
{
	int *p = NULL;
	p = (int *) malloc(sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("Can't get memory!\n");
		return -1;
	}

	printf("%d\n", *p);				// 輸出分配的空間上的值
	memset(p, 0, sizeof(int));		// 將p指向的空間清0
	printf("%d\n", *p);				// 輸出調用memset函數后的結果
	*p = 2;
	printf("%d\n", *p);
	
	return 0;
}

2、free()函數

從堆上獲得的內存空間在程序結束以后，系統不會將其自動釋放，需要程序員來自己管理。一個程序結束時，必須保證所有從堆上獲得的內存空間已被安全釋放，否則，會導致內存泄露。例如上面的demo就會發生內存泄露。

free()函數可以實現釋放內存的功能。其函數聲明為：

void free(void * p);

由於形參為void指針，free()函數可以接受任意類型的指針實參。

但是，free()函數只是釋放指針指向的內容，而該指針仍然指向原來指向的地方，此時，指針為野指針，如果此時操作該指針會導致不可預期的錯誤。安全做法 是：在使用free()函數釋放指針指向的空間之后，將指針的值置為NULL。因此，對於上面的demo，需要在return

語句前加入以下兩行語句：

free(p);
p = NULL;

注意：使用malloc()函數分配的堆空間在程序結束之前必須釋放。

3、calloc()函數

calloc()函數的功能與malloc()函數的功能相似，都是從堆分配內存。其函數聲明如下：

void *calloc(size_t n, size_t size);

函數返回值為void型指針。如果執行成功，函數從堆上獲得 size X n 的字節空間，並返回該空間的首地址。如果執行失敗，函數返回NULL。該函數與malloc()函數的一個顯著不同時是，calloc()函數得到的內存空間是經過初始化的，其內容全為0。calloc()函數適合為數組申請空間，可以將size設置為數組元素的空間長度，將n設置為數組的容量。

示例代碼：

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

#define SIZE 5

int main()
{
	int *p = NULL;
	int i = 0;

	// 為p從堆上分配SIZE個int型空間
	p = (int *) calloc(SIZE, sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("Error in calloc.\n");
		return -1;
	}

	// 為p指向的SIZE個int型空間賦值
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		p[i] = i;
	}

	// 輸出各個空間的值
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("p[%d]=%d\n", i, p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

提示：calloc()函數的分配的內存也需要自行釋放。

4、realloc()函數

realloc()函數的功能比malloc()函數和calloc()函數的功能更為豐富，可以實現內存分配和內存釋放的功能，其函數聲明如下：

void * realloc(void * p, size_t n);

其中，指針p必須為指向堆內存空間的指針，即由malloc()函數、calloc()函數或realloc()函數分配空間的指針。realloc()函數將指針 p指向的內存塊的大小改變為n字節。如果n小於或等於p之前指向的空間大小，那么。保持原有狀態不變。如果n大於原來p之前指向的空間大小，那么，系統將 重新為p從堆上分配一塊大小為n的內存空間，同時，將原來指向空間的內容依次復制到新的內存空間上，p之前指向的空間被釋放。realloc()函數分配的空間也是未初始化的。

注意：使用malloc()函數，calloc()函數和realloc()函數分配的內存空間都要使用free()函數或指針參數為NULL的realloc()函數來釋放。

示例代碼：

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

int main()
{
	int *p = NULL;

	p = (int *) malloc(sizeof(int));
	*p = 3;
	printf("p=%p\n", p);
	printf("*p=%d\n", *p);

	p = (int *) realloc(p, sizeof(int));
	printf("p=%p\n", p);
	printf("*p=%d\n", *p);

	p = (int *) realloc(p, 3 * sizeof(int));
	printf("p=%p\n", p);
	printf("*p=%d", *p);

	// 釋放p指向的空間
	realloc(p, 0);
	p = NULL;

	return 0;
}

 

下面要注意的幾點是：

1. 函數malloc()和calloc()都可以用來動態分配內存空間。 malloc()函數有一個參數，即分配的內存空間的大小，malloc()在分配內存的時候會保留一定的空間用來記錄分配情況，分配的次數越多，這些記錄占用的空間就越多。 另外，根據malloc()實現策略的不同，malloc()每次在分配的時候，可能分配的空間比實際要求的多些，多次分配會導致更多的這種浪費，當然，這些都跟 malloc()的實現有關； calloc()函數有兩個參數，分別為元素的個數和每個元素的大小，這兩個參數的乘積就是要分配的內存空間的大小。如果調用成功，它們都將返回所分配內存空間的首地址。
2. 函數malloc()和calloc()的主要區別是前者不能初始化所分配的內存空間，而后者可以。
3. realloc()可以對給定的指針所指的空間進行擴大或者縮小，無論是擴張或者縮小，原有內存中的內容將保持不變。當然，對於縮小，則被縮小的那一部分的內容會丟失。
4. realloc()並不保證調整后的內存空間和原來的內存空間保持同一內存地址，相反，realloc()返回的指針很可能指向一個新地址。所以在代碼 中，我們必須將realloc()的返回值，重新賦值給p ： p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 15);

 

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realloc()函數，另外一個注意點：

realloc()有可能操作失敗，返回NULL，所以不要把它的返回值直接賦值給原來的指針變量，以免原值丟失：

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

int main()
{
	char *str = NULL;
	str = (char *)malloc(sizeof(char));
	*str = 'a';

	char *p = (char *)realloc(str, sizeof(char) * 10);
	if (p != NULL)
	{
		str = p;
	}

	printf("%s\n", str);

	return 0;
}

 

 

參考：

http://baike.baidu.com/view/736230.htm