💡 前言：为什么要学动态内存分配？
在 C 语言中，我们平时定义数组时需要指定固定大小（如int arr[10]），但实际开发中，数据量往往是不确定的 —— 比如读取文件内容、存储用户输入的可变长度数据。固定内存要么 “不够用” 导致溢出，要么 “用不完” 造成浪费。动态内存分配就是解决这个问题的核心技术，它允许程序在运行时根据需求灵活申请和释放内存，是 C 语言工程师必须掌握的进阶技能！
一、动态内存分配的 4 个核心函数（stdlib.h）
动态内存分配的操作都依赖于标准库 ` 中的 4 个函数，我们逐个拆解用法和注意事项：
1. malloc：最常用的内存申请函数
函数原型
void* malloc(size_t size);
- 功能：从 “堆区” 申请一块大小为 size 字节的连续内存。
- 返回值：
✅ 成功：返回指向该内存块的指针（void* 类型，需强制转换为目标类型）；
❌ 失败：返回 NULL（务必检查！否则会导致野指针问题）。
- 实战示例：申请能存储 5 个 int 的内存
#include .h>
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int main() {
// 申请5个int大小的内存（int占4字节，共20字节）
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
// 关键：检查是否申请成功
if (p == NULL) {
perror("malloc failed"); // 打印错误原因（如内存不足）
return 1; // 终止程序，避免后续错误
}
// 使用内存：给数组赋值
for (int i = 0; i {
p[i] = i + 1; // p[0]=1, p[1]=2, ..., p[4]=5
}
// 打印结果
for (int i = 0; i 5; i++) {
printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);
}
// 关键：释放内存（堆区内存不会自动回收！）
free(p);
p = NULL; // 避免野指针（free后p仍指向原地址，需置空）
return 0;
}
2. calloc：初始化后的内存申请
函数原型
void* calloc(size_t nmemb, size_t size);
- 功能：申请 nmemb 个大小为 size 字节的连续内存，并将所有字节初始化为 0。
- 与 malloc 的区别：
malloc 只申请内存，不初始化（内存中是随机垃圾值）；calloc 会自动清零，适合需要 “干净内存” 的场景（如统计数组、结构体初始化）。
- 实战示例：申请 3 个 double 类型的内存
double* p = (double*)calloc(3, sizeof(double));
if (p == NULL) {
perror("calloc failed");
return 1;
}
// 直接使用：p[0]、p[1]、p[2]默认都是0.0
printf("p[0] = %lf\n", p[0]); // 输出 0.000000
free(p);
p = NULL;
3. realloc：调整已申请的内存大小
函数原型
void* realloc(void* ptr, size_t size);
- 功能：修改已通过 malloc/calloc 申请的内存块（ptr 指向的块）的大小为 size 字节。
- 返回值与注意事项：
- 若原内存块后面有足够空间扩容，直接在原地址后追加内存，返回原 ptr；
- 若原内存块后空间不足，会在堆区找一块新的足够大的内存，将原数据复制过去，释放原内存块，返回新地址；
- 若调整失败，返回 NULL（原内存块不会被释放！），因此必须用新变量接收返回值，避免原指针丢失。
- 实战示例：将原 5 个 int 的内存扩容到 8 个
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
if (p == NULL) { perror("malloc failed"); return 1; }
// 扩容：将p指向的内存调整为8个int大小
int* new_p = (int*)realloc(p, 8 * sizeof(int));
if (new_p == NULL) {
perror("realloc failed");
free(p); // 原内存块还在，必须释放！
p = NULL;
return 1;
}
p = new_p; // 扩容成功，更新指针
// 新扩容的3个位置（p[5]-p[7]）是随机值，需手动初始化
for (int i = 5; i ++) {
p[i] = i + 1;
}
free(p);
p = NULL;
4. free：释放动态内存
函数原型
void free(void* ptr);
- 功能：将 ptr 指向的堆区内存归还给系统，供其他程序使用。
- 必须遵守的 3 个规则：
❌ 不能 free 栈区内存（如局部变量 int a = 10; free(&a); 会崩溃）；
❌ 不能重复 free 同一块内存（会导致 “双重释放” 错误，程序崩溃）；
❌ 不能 free NULL 指针（free (NULL) 是安全的，不会报错，但无意义）。
二、动态内存分配的 3 个常见 “坑” 及解决方案
坑 1：内存泄漏（Memory Leak）
- 现象：申请的堆区内存使用后未 free，程序运行时内存占用持续增加，长期运行可能导致系统内存耗尽。
- 场景：函数中申请内存后，未在所有分支（如 if/else、return）中释放。
- 解决方案：
- 养成 “申请即检查，使用即释放” 的习惯；
- 复杂场景（如多分支、循环）可使用 “goto 清理” 或 “函数封装释放逻辑”。
坑 2：野指针（Dangling Pointer）
- 现象：指针指向的内存已被 free，但指针未置空，后续误操作该指针会导致不可预期的错误（如修改随机内存、程序崩溃）。
- 解决方案：
free 内存后，立即将指针置为 NULL（p = NULL;），后续使用前先检查指针是否为 NULL。
坑 3：越界访问（Out of Bounds）
- 现象：访问动态内存时超出了申请的范围（如申请 5 个 int，却访问 p [5]），会破坏堆区的内存管理结构，导致后续内存操作错误。
- 解决方案：
- 明确动态内存的大小，用变量记录（如 int len = 5; int* p = (int*)malloc(len * sizeof(int));）；
- 访问时严格检查索引是否在 [0, len-1] 范围内。
📌 总结
动态内存分配是 C 语言灵活性的核心体现，但也是易错点。关键要记住：
- 4 个核心函数的分工：malloc（申请）、calloc（申请 + 清零）、realloc（调整）、free（释放）；
- 3 个必须规避的坑：内存泄漏、野指针、越界访问；
- 1 个核心原则：谁申请，谁释放，确保每一块动态内存都有明确的释放逻辑。
多写代码实战，结合调试工具（如 GDB）观察内存变化，就能彻底掌握动态内存分配！
