C语言详细分析讲解内存管理malloc realloc free calloc函数的使用

C语言内存管理

malloc && realloc && free && calloc

c语言中为了进行动态内存管理，<stdlib.h>中提供了几个函数帮助进行内存管理。

我们知道，C语言中是没有C++中的容器或者说是python中list，set这些高级的数据结构的，我们一旦申请了一段内存空间以后这一段空间就归你了，比如我们举个例子，我们申请一个数组

int nums[100];

上面这段代码是完全可行的，但是我们现在在不知道想要申请多少空间的情况下呢？比如说下面这个例子

int func(int n){
	int nums[n];
}

我们发现出错了，连编译都过不了，为什么呢？因为这段空间是编译过程中确定的，我们不能在程序运行过程中申请一段不确定大小的空间。

所以我初学的时候就解决不了这个问题，我采取了一个笨办法，就是申请一个足够大的空间，反正用不完，我内存大咋滴了，也不是不可以，这个方法确实解决了我当初的问题不是嘛，但是现在我们有更好的办法，就是动态的空间申请。

一、动态空间申请

// 函数原型
void *malloc(unsigned int num);

在堆区分配一块指定大小的内存空间，用来存放数据。这块内存空间在函数执行完成后不会被初始化，它们的值是未知的。

int func(int n){
    int *nums = (int *)malloc(sizeof(int)*n);
    return 0;
}

这样我们就解决了不能进行动态的申请内存的问题了，我不知道有没有读者注意到malloc函数的返回类型是空指针类型，这样的话就需要我们进行强制类型转换，我们在上面的函数中是将其转换为了int指针类型，这样的话我们指向的空间就可以存放int值，也就是说我们申请了一个大小为n的int数组。返回空指针在一定程度上实现了泛型。我们也可以对这个数组进行初始化。

int func(int n){
    int *nums = (int *)malloc(sizeof(int)*n);
    memset(nums,0,sizeof(int)*n);
    return 0;
}

如果说malloc是没有初始化的内存申请，那么calloc就带初始化的内存申请

// 函数原型
void* calloc(unsigned int num,unsigned int size);

原本两步的工作现在一步就完成了

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    return 0;
}

这里还有一个问题就是，这个空间不够用了怎么办，比如我们用数组实现栈，或者是队列，我们不能说一直动态的申请，或者不够了就加，实际上像python的list，他们在申请空间的时候都是多申请了一部分的，否则一会就加，一会就减，会影响效率，毕竟申请内存是需要向系统“打报告”的。

二、动态空间的扩容

我们之前申请的空间不够用了就需要扩容，我们可以用这个函数

// 函数原型
void *realloc(void *address,unsigned int newsize);

该函数重新分配内存，把内存扩展到 newsize。这里是扩展到多大，而不是扩展多少

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    nums = (int *)realloc(nums, sizeof(int)*n*2);
    return 0;
}

三、释放内存

当我们用完了这块动态内存空间时，我们需要手动释放，因为c没有智能的内存管理，只能依靠程序员自觉

// 函数原型
void free(void *address);

该函数释放 address 所指向的内存块,释放的是动态分配的内存空间。

int func(int n){
    int *nums = (int *)calloc(n,sizeof(int));
    nums = (int *)realloc(nums, sizeof(int)*n);
    free(nums);
    return 0;
}

这里我们需要注意两件事，第一件事，动态分配的内存必须释放，否则就会内存泄露，第二件事，结构体指针需要递归释放，务必释放干净

typedef struct Node {
    int val;
    struct Node *next;
} Node;
void freeNode(struct Node *head){
    while(head){
        struct Node* temp=head->next;
        free(head);
        head = temp;
    }
}

更新一点知识，VLA变长数组，其实这么写在GCC中也是可以通过的

int n=10;
int nums[n];

我一开始看到这些代码也是很疑惑的，C语言到底支持不支持VLA变长数组啊，查了一点资料。

C90标准中并不支持VLA，C99开始支持VLA，很大的一个原因：FORTRAN中支持这种写法。C99中对对VLA有一些限制，比如变长数组必须是自动存储类型，也就是说，如果我上面两句放在函数外面就就不能通过编译了，这是因为在函数外面定义的是全局变量，此外，使用VLA不能对数组进行初始化，因为它的长度在运行时才能确定。

此外VLA并不是真正的变长，它实际上只是将数组的长度推迟到运行时确定而已，也就是说C90标准中，数组的长度必须在编译时期就知道，但C99支持VLA后，数组的长度可以推迟到运行时知道，但是，一旦长度确定，数组的长度就不能变了。

另外我在VC中编译并不能通过，在Clion中也不行，但是我leetcode中提交的时候可以通过，也就是gcc其实是支持的。

我并不建议这么写，还是老老实实的malloc吧。