8 动态内存管理之 malloc/free详解

在上一个主题中，我们探讨了 C 语言中的预处理器指令，了解了如何自定义预处理器。在本篇中，我们将深入讨论动态内存管理，特别是如何使用 malloc 和 free 函数进行内存分配和释放。

1. 什么是动态内存管理

动态内存管理是 C 语言中一项重要的特性，它允许程序在运行时动态地分配和释放内存。这对于处理不定大小的数据结构（如链表和动态数组）尤为重要。在动态内存管理中，malloc 和 free 是两个最常用的函数。

2. malloc 函数详解

malloc 函数用于动态分配一块特定大小的内存，返回一个指向这块内存的指针。其函数声明如下：

void* malloc(size_t size);

2.1 使用示例

以下是一个使用 malloc 动态分配内存的基本示例：

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

int main() {
    int *array;
    size_t n;

    printf("请输入数组的大小: ");
    scanf("%zu", &n);

    // 使用 malloc 分配内存
    array = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    
    if (array == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 初始化数组
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        array[i] = i * 2;
    }

    // 输出数组
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }

    // 释放内存
    free(array);

    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了 malloc 为一个整型数组动态分配内存。请注意，在使用 malloc 后必须检查返回的指针是否为 NULL，这表示内存分配失败。

2.2 malloc 的工作原理

• malloc 函数请求操作系统分配一块指定大小的内存。
• 若成功，malloc 返回指向这块内存的指针；若失败，返回 NULL。
• 这块内存的内容是未初始化的，因此在使用之前必须对其进行初始化。

2.3 内存泄漏

如果我们调用 malloc 而没有相应地调用 free，程序的内存使用会随着时间而增长，这种现象称为内存泄漏。确保在不需要这块内存时，我们总是使用 free 进行释放。

free(array);

3. free 函数详解

free 函数用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。其函数声明如下：

void free(void* ptr);

3.1 使用示例

我们在前面的示例中已经展示了 free 的用法。以下是 free 的一些注意事项：

• 只能释放通过 malloc、calloc 或 realloc 申请的内存。
• 释放已经释放的内存或未分配的内存是未定义行为。
• 释放后，指针仍然有效，但它指向的内存不再可用，建议将其设置为 NULL。

4. 小结

在本文中，我们深入探讨了 malloc 和 free 函数的使用。这些函数使我们可以在运行时灵活而高效地管理内存。记住，使用动态内存时要特别小心，确保任何通过 malloc 分配的内存都在适当时被释放，避免内存泄漏。

在下一篇中，我们将讨论 calloc 和 realloc 的使用，继续我们对动态内存管理的深入了解。