C中堆管理—浅谈malloc,free,calloc,realloc函数之间的区别

孤者浪人 提交于 2020-03-01 03:04:40

在进行C/C++编程的时候,需要程序员对内存的了解比较好清楚,经常需要操作的内存可分为下面几个类别:


  1. 堆栈区(stack):由编译器自动分配与释放,存放函数的参数值,局部变量,临时变量等等,它们获取的方式都是由编译器自动执行的

  2. 堆区(heap):一般由程序员分配与释放,基程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收(C/C++没有此等回收机制,Java/C#有),注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表。

  3. 全局区(静态区)(static):全局变量和静态变量的存储是放在一块儿的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域,未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。

  4. 文字常量区:常量字符串是放在这里的,程序结束后由系统释放。

  5. 程序代码区:存放函数体的二进制代码。


C 标准函数库提供了许多函数来实现对堆上内存管理,其中包括:malloc函数,free函数,calloc函数和realloc函数。使用这些函数需要包含头文件stdlib.h。它们的声明如下:


1 void malloc(int n);
2 void free (void * p);
3 void *calloc(int n,int size);
4 void realloc(void * p,int n);


1.   malloc函数

 

malloc函数可以从堆上获得指定字节的内存空间,其函数声明如下:

 

1 void malloc(int n);

 

其中,形参n为要求 分配的字节数。如果函数执行成功,malloc返回获得内存空间的首地址;如果函数执行失败,那么返回值为NULL。由于 malloc函数值的类型为void型指针,因此,可以将其值类型转换后赋给任意类型指针,这样就可以通过操作该类型指针来操作从堆上获得的内存空间。

     需要注意的是,malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。因此,一般在使用该内存空间时,要调用另一个函数memset来将其初始化为全0。memset函数的声明如下:


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

 

       该函数可以将指定的内存空间按字节单位置为指定的字符c。其中,p为要清零的内存空间的首地址,c为要设定的值,n为被操作的内存空间的字节长度。如果要用memset清0,变量c实参要为0。malloc函数和memset函数的操作语句一般如下:


1 int * p=NULL;
2 p=(int *)malloc(sizeof(int));
3 if(p==NULL)
4     printf(“Can’t get memory!/n”);
5 memset(p,0,siezeof(int));


注意:通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化。

 

示例代码:

01 #include <stdio.h>
02 #include <stdlib.h>
03 #include <string.h>
04 int main()
05 {
06      int * p=NULL;
07      p=(int *)malloc(sizeof(int));
08      if(NULL==p){
09          printf("Can't get memory!/n");
10          return -1;
11      }
12      printf("%d/n",*p);           //输出分配的空间上的值
13      memset(p,0,sizeof(int));     //将p指向的空间清0
14      printf("%d/n",*p);           //输出调用memset函数后的结果
15      *p=2;
16      printf("%d/n",*p);
17      return 0;
18 }


2. free函数

       从堆上获得的内存空间在程序结束以后,系统不会将其自动释放,需要程序员来自己管理。一个程序结束时,必须保证所有从堆上获得的内存空间已被安全释放,否则,会导致内存泄露。例如上面的demo就会发生内存泄露。

free函数可以实现释放内存的功能。其函数声明为:

 

1 void free (void * p);

 

    由于形参为void指针,free函数可以接受任意类型的指针实参。

    但是,free函数只是释放指针指向的内容,而该指针仍然指向原来指向的地方,此时,指针为野指针,如果此时操作该指针会导致不可预期的错误。安全做法 是:在使用free函数释放指针指向的空间之后,将指针的值置为NULL。因此,对于上面的demo,需要在return

语句前加入以下两行语句:

1 free(p);
2 p=NULL;

注意:使用malloc函数分配的堆空间在程序结束之前必须释放。

 

3. calloc函数

 

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似,都是从堆分配内存。其函数声明如下:

 

1 void *calloc(int n,int size);

 

函数返回值为void型指针。如果执行成功,函数从堆上获得size X n的字节空间,并返回该空间的首地址。如果执行失败,函数返回NULL。该函数与malloc函数的一个显著不同时是,calloc函数得到的内存空间是经过初始化的,其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间,可以将size设置为数组元素的空间长度,将n设置为数组的容量。

 

示例代码

 

01 #include <stdio.h>
02 #include <stdlib.h>
03 #define SIZE 5
04 int main()
05 {
06      int * p=NULL;
07      int i=0;
08      //为p从堆上分配SIZE个int型空间
09      p=(int *)calloc(SIZE,sizeof(int));
10     if(NULL==p){
11          printf("Error in calloc./n");
12          return -1;
13      }
14      //为p指向的SIZE个int型空间赋值
15      for(i=0;i<SIZE;i++)
16          p[i]=i;
17      //输出各个空间的值
18      for(i=0;i<SIZE;i++)
19          printf("p[%d]=%d/n",i,p[i]);
20      free(p);
21      p=NULL;
22      return 0;
23 }

 

提示:calloc函数的分配的内存也需要自行释放。

 

4. realloc函数

 

realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富,可以实现内存分配和内存释放的功能,其函数声明如下:

 

1 void realloc(void * p,int n);

 

其中,指针p必须为指向堆内存空间的指针,即由malloc函数、calloc函数或realloc函数分配空间的指针。realloc函数将指针 p指向的内存块的大小改变为n字节。如果n小于或等于p之前指向的空间大小,那么。保持原有状态不变。如果n大于原来p之前指向的空间大小,那么,系统将 重新为p从堆上分配一块大小为n的内存空间,同时,将原来指向空间的内容依次复制到新的内存空间上,p之前指向的空间被释放。relloc函数分配的空间也是未初始化的。

 

注意:使用malloc函数,calloc函数和realloc函数分配的内存空间都要使用free函数或指针参数为NULL的realloc函数来释放。

 

示例代码:

 

01 #include <stdio.h>
02 #include <stdlib.h>
03 int main()
04 {
05      int * p=NULL;
06      p=(int *)malloc(sizeof(int));
07      *p=3;
08      printf("p=%p/n",p);
09      printf("*p=%d/n",*p);
10      p=(int *)realloc(p,sizeof(int));
11      printf("p=%p/n",p);
12      printf("*p=%d/n",*p);
13      p=(int *)realloc(p,3*sizeof(int));
14      printf("p=%p/n",p);
15      printf("*p=%d",*p);
16     //释放p指向的空间
17      realloc(p,0);
18      p=NULL;
19      return 0;
20 }

 

注意:如果要使用realloc函数分配的内存,必须使用memset函数对其内存初始化

 


下面要注意的几点是:

  1. 函数malloc()和calloc()都可以用来动态分配内存空间。 malloc() 函数有一个参数,即分配的内存空间的大小,malloc在分配内存的时候会保留一定的空间用来记录分配情况,分配的次数越多,这些记录占用的空间就越多。 另外,根据malloc实现策略的不同,malloc每次在分配的时候,可能分配的空间比实际要求的多些,多次分配会导致更多的这种浪费,当然,这些都跟 malloc的实现有关; calloc()函数有两个参数,分别为元素的个数和每个元素的大小,这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小。如果调用成功,它们都将返回所分配内存空间的首地址。

  2. 函数malloc()和calloc()的主要区别是前者不能初始化所分配的内存空间,而后者可以。

  3. relloc()可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小,无论是扩张或者缩小,原有内存中的内容将保持不变。当然,对于缩小,则被缩小的那一部分的内容会丢失。

  4. relloc()并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址,相反,relloc返回的指针很可能指向一个新地址。所以在代码 中,我们必须将relloc的返回值,重新赋值给p : p=(int *) relloc (p,sizeof(int)*15);


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