43 C 程序动态内存分配：内存区域划分、void 指针、内存分配相关函数（malloc、calloc、realloc、_msize、free）、内存泄漏

目录

1 C 程序内存区域划分

1.1 代码区 (Code Section)

1.2 全局/静态区 (Global/Static Section)

1.3 栈区 (Stack Section)

1.4 堆区 (Heap Section)

1.5 动态内存分配

2 void 指针（无类型指针）

2.1 void 指针介绍

2.2 void 指针的作用

2.3 void 指针的特点

2.4 void 指针类型转换注意事项

2.4.1 其他类型指针赋给 void 指针

2.4.2 void 指针赋给其他类型指针

3 malloc() 函数

3.1 函数原型

3.2 使用步骤

3.3 动态分配整型数据的空间

3.4 动态分配数组空间

4 calloc() 函数

4.1 函数原型

4.2 使用步骤

4.3 案例演示

5 realloc() 与 _msize 函数

5.1 函数原型

5.2 使用步骤

5.3 案例演示

6 内存泄漏与 free() 函数

6.1 内存泄漏

6.2 free() 函数

6.2.1 函数原型

6.2.2 使用步骤

6.2.3 注意事项

6.2.4 案例演示

7 内存分配的基本原则

7.1 避免分配大量的小内存块

7.2 仅在需要时分配内存

7.3 总是确保释放已分配的内存

8 综合案例

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1 C 程序内存区域划分

        在 C 语言中，内存可以分为几个不同的区域，每个区域都有其特定的作用。

1.1 代码区 (Code Section)

        也称为文本区，是只读的，用于存放程序的机器指令。

        这个区域的内容是在程序编译时确定的，并且在程序运行期间不会改变。

1.2 全局/静态区 (Global/Static Section)

        这个区域用于存储全局变量和静态变量。

        全局变量是在所有函数外部定义的变量，它们在整个程序的生命周期内都存在。

        静态变量可以在全局或局部范围内定义，但无论在哪里定义，它们都会在这个区域分配空间，并且在整个程序执行过程中保持存在。

        初始化的全局变量和静态变量会被分配到已初始化的数据段（如 .data 段），而未初始化的全局变量和静态变量则会被分配到未初始化的数据段（如 .bss 段）。

1.3 栈区 (Stack Section)

        栈区用于存储函数的局部变量和函数调用信息（如返回地址）。

        当一个函数被调用时，一个新的栈帧（stack frame）会被创建并压入栈顶，其中包含了该函数所有局部变量。

        函数执行完毕后，这个栈帧会被弹出栈，释放了该函数使用的内存。

        栈区的操作是自动化的，由编译器管理，不需要程序员手动干预。

1.4 堆区 (Heap Section)

        堆区是一个动态分配内存的区域，通常通过 malloc()、calloc()、realloc() 和 free() 等函数进行管理。

        动态内存分配允许程序在运行时请求任意大小的内存块，这对于处理未知大小的数据集非常有用。

        一旦不再需要这块内存，应该调用 free() 函数释放它，以避免内存泄漏。

1.5 动态内存分配

        动态内存分配是指在程序运行时根据需要从堆区请求内存的行为。

        由于动态分配的内存没有与任何变量名关联，因此必须使用指针来访问这些内存。

        使用动态内存分配时，程序员需要负责确保正确地分配和释放内存，以防止内存泄漏或其他错误。

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2 void 指针（无类型指针）

2.1 void 指针介绍

        在 C 语言中，void 指针是一种特殊的指针类型，它可以指向任何类型的数据。C99 标准允许定义一个类型为 void 的指针变量，这种指针在编译时没有具体的类型信息，因此可以灵活地用于各种场景。

2.2 void 指针的作用

        灵活性：指针变量必须有类型，以便编译器知道如何解释内存块中的二进制数据。然而，在某些情况下，当向系统请求内存时，可能还不确定会有什么类型的数据写入内存。此时，可先使用void指针获取内存块（仅含地址信息，无类型信息），待后续使用时再明确数据类型。

        通用性：void 指针在函数参数传递和通用数据处理中非常有用，尤其是在实现泛型编程时，可以避免重复编写针对不同数据类型的代码。

2.3 void 指针的特点

        类型转换：void 指针与其他所有类型的指针之间可以互相转换。任一类型的指针都可以转换为 void 指针，而 void 指针也可以转换为任一类型的指针。

        解引用限制：由于 void 指针没有具体的类型信息，因此不能直接使用 * 运算符（解引用）来访问它所指向的值。如果需要访问 void 指针指向的数据，必须先将其转换为适当的类型指针。

#include <stdio.h>int main()
{int num = 42;double pi = 3.14159;// 将 int 指针隐式转换为 void 指针void *viPtr = &num;// 将 double 指针隐式转换为 void 指针void *vdPtr = &pi;// 将 void 指针转换为 int 指针并解引用// int *intPtr = viPtr;        // 隐式类型转换int *intPtr = (int *)viPtr;      // 显示类型转换printf("整数值：%d\n", *intPtr); // 42// 将 void 指针转换为 double 指针并解引用// double *doublePtr = vdPtr; // 隐式类型转换double *doublePtr = (double *)vdPtr; // 显示类型转换printf("浮点数：%f\n", *doublePtr);  // 3.141590// void 指针不能直接解引用，会导致编译错误// 下面的代码会报错// printf("%d\n", *viPtr);// printf("%f\n", *vdPtr);// 如果需要访问 void 指针指向的数据，必须先将其转换为适当的类型指针printf("%d\n", *(int *)viPtr);    // 42printf("%f\n", *(double *)vdPtr); // 3.141590return 0;
}

2.4 void 指针类型转换注意事项

2.4.1 其他类型指针赋给 void 指针

        将其他类型指针赋给 void 指针时，可以使用隐式转换，因为 void 指针不包含指向的数据类型的信息，通常是安全的。

int num = 42;
double pi = 3.14159;// 将 int 指针隐式转换为 void 指针
void *viPtr = #// 将 double 指针隐式转换为 void 指针
void *vdPtr = π

2.4.2 void 指针赋给其他类型指针

        将 void 指针赋给其他类型指针时，建议使用显式类型转换，这样更加安全。如果使用隐式类型转换，有些编译器会触发警告。

// 将 void 指针显式转换为 int 指针并解引用
int *intPtr = (int *)viPtr;
printf("整数值：%d\n", *intPtr);// 将 void 指针显式转换为 double 指针并解引用
double *doublePtr = (double *)vdPtr;
printf("浮点数：%f\n", *doublePtr);

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3 malloc() 函数

3.1 函数原型

        malloc() 函数用于在程序运行时动态分配一块连续的内存空间。这是 C 语言中常用的动态内存分配函数之一，通常与 free() 函数一起使用，以确保内存的正确管理和释放。

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);

• size：要分配的内存块的大小，以字节为单位
• 如果内存分配成功，返回一个 void 指针，指向新分配内存块的起始地址。
• 如果内存分配失败（例如内存不足），返回一个空指针 NULL。

3.2 使用步骤

• 分配内存：调用 malloc() 函数，传入所需的内存大小。
• 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存分配成功。
• 使用内存：将返回的 void 指针转换为适当的类型指针，并使用该指针访问分配的内存。
• 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

3.3 动态分配整型数据的空间

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{// 在栈区直接创建局部变量int num = 120;int *p = NULL;// 动态分配整型数据的空间// malloc(sizeof(int)) 请求分配一个 int 类型大小的内存块// (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针// p 指向新分配内存块的起始地址p = (int *)malloc(sizeof(int));// 检查内存是否分配成功if (p == NULL){printf("内存分配失败\n");return 1; // 退出程序}// p = &num; 不要这样操作，这相当于修改了指针 p 的指向，就没有用到上面动态分配的空间// 使用解引用赋值并输出*p = num;printf("p指向的地址（堆区）：%p\n", (void *)p);printf("局部变量num的地址（栈区）：%p\n", (void *)&num);printf("p指向的值：%d\n", *p); // 120// 释放分配的内存，避免内存泄漏// free(p); // 简单处理// 推荐处理if (p != NULL){free(p);p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针}return 0;
}

         输出结果如下所示：

3.4 动态分配数组空间

        在 C 语言中，malloc() 函数不仅可用于分配单个变量的内存，还可以用于动态分配数组的内存。以下是一个示例，展示了如何使用 malloc() 函数动态分配整型数组的内存，并对其进行操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int *p = NULL; // 定义整型指针int n = 5;     // 定义数组长度// int array[n];  错误，表达式必须含有常量值// 动态分配内存，将地址赋给指针 p// malloc(n * sizeof(int)) 请求分配一个大小为 n * sizeof(int) 的内存块，即 n 个 int 类型的内存// (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针// p 指向新分配内存块的起始地址p = (int *)malloc(n * sizeof(int));// 判断是否分配成功if (p == NULL){printf("内存分配失败\n");return 1; // 退出程序}// 给数组元素赋值for (int i = 0; i < n; i++){p[i] = i * 10;}// 输出数组的元素for (int i = 0; i < n; i++){printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);}// 释放分配的内存，避免内存泄漏// free(p); // 简单处理// 推荐处理if (p != NULL){free(p);p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针}return 0;
}

        输出结果如下所示：

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4 calloc() 函数

4.1 函数原型

        calloc() 函数用于在程序运行时动态分配内存，并将分配的内存初始化为零。这是 C 语言中常用的动态内存分配函数之一，通常与 free() 函数一起使用，以确保内存的正确管理和释放。

#include <stdlib.h>
void *calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement);

• numElements：要分配的元素的数量。
• sizeOfElement：每个元素的大小（以字节为单位）。
• 如果内存分配成功，返回一个 void 指针，指向新分配内存块的起始地址。
• 如果内存分配失败（例如内存不足），返回一个空指针 NULL。

4.2 使用步骤

• 分配内存：调用 calloc() 函数，传入所需的元素数量和每个元素的大小。
• 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存分配成功。
• 使用内存：将返回的 void 指针转换为适当的类型指针，并使用该指针访问分配的内存。
• 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

4.3 案例演示

        以下是一个示例代码，展示了如何使用 calloc() 函数动态分配整型数组的内存，并将其初始化为零：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int *p = NULL; // 定义整型指针int n = 5;     // 定义数组长度// 动态分配内存并初始化为零，将地址赋给指针 p// calloc(n, sizeof(int)) 请求分配一个大小为 n * sizeof(int) 的内存块，并将每个字节初始化为零// (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针p = (int *)calloc(n, sizeof(int));// 判断是否分配成功if (p == NULL){printf("内存分配失败\n");return 1; // 退出程序}// 输出数组的元素的值for (int i = 0; i < n; i++){printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]); // 全是 0}// 给数组元素赋值for (int i = 0; i < n; i++){p[i] = i * 10;}// 输出数组的元素for (int i = 0; i < n; i++){printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]); // 0 10 20 30 40}// 释放分配的内存，避免内存泄漏// free(p); // 简单处理// 推荐处理if (p != NULL){free(p);p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针}return 0;
}

        输出结果如下所示：

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5 realloc() 与 _msize 函数

5.1 函数原型

        realloc() 函数用于重新分配 malloc() 或 calloc() 函数所获得的内存块的大小。这在需要动态调整内存大小时非常有用。

#include <stdlib.h>
void *realloc(void *ptr, size_t size);

• ptr：要重新分配的内存块的指针。
• size：新的内存块的大小（以字节为单位）。
• 返回一个指向重新分配内存块的指针。如果内存重新分配成功，返回的指针可能与原始指针相同，也可能不同。
• 如果内存分配失败，返回一个空指针 NULL。
• 如果在原内存块上进行缩减，通常返回的地址与原来的地址相同。

5.2 使用步骤

• 分配内存：使用 malloc() 或 calloc() 函数分配初始内存。
• 重新分配内存：调用 realloc() 函数，传入当前指针和新的内存大小。
• 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存重新分配成功。
• 使用新的内存：使用返回的新指针访问重新分配的内存。
• 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

5.3 案例演示

        以下是一个示例代码，展示了如何使用 realloc() 函数动态调整内存大小，并使用 _msize() 函数获取指定内存块的大小：

        _msize() 函数用于获取指定内存块的大小，但请注意，这个函数不是标准 C 库的一部分，而是特定于某些平台（如 Windows）。在其他平台上，可能需要使用其他方法来获取内存块的大小。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>int main()
{// 声明指针int *p = NULL;// 分配内存// 使用 malloc() 函数分配初始内存，大小为 100 * sizeof(int)p = (int *)malloc(sizeof(int) * 100);if (p == NULL){printf("初始内存分配失败\n");return 1;}// 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 400// 调整内存大小p = (int *)realloc(p, sizeof(int) * 2000);if (p == NULL){printf("内存重新分配失败\n");return 1;}// 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 8000// 再次调整内存大小// 如果在原内存块上进行缩减，通常返回的地址与原来的地址相同p = (int *)realloc(p, sizeof(int) * 200);if (p == NULL){printf("内存重新分配失败\n");return 1;}// 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 800// 释放分配的内存，避免内存泄漏// free(p); // 简单处理// 推荐处理if (p != NULL){free(p);p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针}return 0;
}

        输出结果如下所示：

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6 内存泄漏与 free() 函数

6.1 内存泄漏

        内存泄漏是指在程序运行过程中，动态分配的内存空间没有被正确释放，导致系统中的可用内存逐渐减少，直到耗尽系统可用的内存资源。内存泄漏不仅会影响程序的性能，还可能导致程序崩溃或系统不稳定。

6.2 free() 函数

6.2.1 函数原型

        free() 函数用于释放动态分配的内存，以便将内存返回给操作系统，防止内存泄漏。

void free(void *ptr);

• ptr：指向要释放的内存块的指针。ptr 必须是通过 malloc()、calloc() 或 realloc() 动态分配的内存块地址。
• free() 函数没有返回值。

6.2.2 使用步骤

• 分配内存：使用 malloc()、calloc() 或 realloc() 函数动态分配内存。
• 使用内存：在程序中使用分配的内存。
• 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，确保内存返回给操作系统。

6.2.3 注意事项

1. 避免双重释放：

        释放的内存块一旦被 free() 释放，就不应该再次操作已经释放的地址，也不应该再次使用 free() 对该地址释放第二次。这会导致未定义行为，可能会导致程序崩溃。

int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
free(p);  // 第一次释放
free(p);  // 错误：第二次释放

2. 避免内存泄漏：

        如果忘记调用 free() 函数，会导致无法访问未回收的内存块，构成内存泄漏。

int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
// 忘记释放内存
// free(p);  // 应该在这里释放内存

3. 检查指针是否为 NULL：

        在释放内存之前，最好检查指针是否为 NULL。释放 NULL 指针是安全的，不会导致错误，但这是一个良好的编程习惯。

        释放内存后，最好将指针设为 NULL，以避免悬挂指针（即指向已释放内存的指针）。

int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
if (p != NULL) {free(p);p = NULL;  // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
}

6.2.4 案例演示

        以下是一个示例代码，展示了如何正确使用 malloc() 和 free() 函数，避免内存泄漏和双重释放：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {int *p = NULL;  // 定义整型指针// 动态分配内存p = (int *)malloc(sizeof(int));if (p == NULL) {printf("内存分配失败\n");return 1;}// 使用分配的内存*p = 120;printf("p指向的地址：%p\n", (void *)p);printf("p指向的值：%d\n", *p);// 释放分配的内存if (p != NULL) {free(p);p = NULL;  // 释放后将指针设为 NULL}return 0;
}

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7 内存分配的基本原则

        在 C 语言中，动态内存分配是一项重要的任务，合理的内存管理可以提高程序的性能和稳定性。以下是一些内存分配的基本原则：

7.1 避免分配大量的小内存块

        原因：分配堆上的内存有一些系统开销，包括分配和释放内存时的管理开销。分配许多小的内存块会增加这些开销，从而影响程序的性能。

        建议：尽量合并多个小内存块的分配，使用较大的内存块来减少系统开销。例如，可以预先分配一个较大的缓冲区，然后在需要时从中划分出所需的小内存块。

7.2 仅在需要时分配内存

        原因：动态分配的内存会占用系统的资源，如果分配了不必要的内存，不仅浪费资源，还可能导致内存泄漏。

        建议：在实际需要使用内存时再进行分配，并且在使用完内存后及时释放。避免过早分配内存或分配过多的内存。

7.3 总是确保释放已分配的内存

        原因：未释放的内存会导致内存泄漏，随着时间的推移，内存泄漏会逐渐消耗系统资源，最终可能导致程序崩溃或系统不稳定。

        建议：在编写分配内存的代码时，就要确定好在代码的什么地方释放内存。使用 free() 函数释放不再需要的内存，并确保不会对同一个内存块多次释放。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 分配和释放内存的辅助函数
void allocate_and_use_memory() {int *p = NULL;// 仅在需要时分配内存p = (int *)malloc(sizeof(int) * 1000);if (p == NULL) {printf("内存分配失败\n");return;}// 使用分配的内存for (int i = 0; i < 1000; i++) {p[i] = i * 10;}// 输出部分元素for (int i = 0; i < 10; i++) {printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);}// 及时释放内存if (p != NULL){free(p);p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针}
}int main() {// 调用内存管理函数allocate_and_use_memory();return 0;
}

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8 综合案例

        动态创建数组，输入 5 个学生的成绩，再定义一个函数检测成绩低于 60 分的，输出不合格的成绩。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>// 函数原型声明
void check(int *);int main()
{int *p = NULL;// 在堆区开辟一个 5 * 4 的空间，用于存储 5 个整数p = (int *)malloc(5 * sizeof(int));// 检查内存是否分配成功if (p == NULL){printf("内存分配失败\n");return 1; // 退出程序}printf("请输入5个成绩(整数)：");// 从用户输入读取 5 个整数，存储到动态分配的内存中for (int i = 0; i < 5; i++){// scanf("%d", p + i); // 使用指针算术，将输入的整数存储到 p[i] 中// p + i 是指针算术，表示将指针 p 向后移动 i 个元素的位置scanf("%d", &p[i]); // 使用数组形式，将输入的整数存储到 p[i] 中// &p[i] 是取地址操作，表示 p 指向的数组中第 i 个元素的地址}// 调用 check 函数，检查不及格的成绩check(p);// 释放动态分配的内存，避免内存泄漏free(p);p = NULL; // 避免悬挂指针return 0;
}// 函数定义
void check(int *p)
{printf("不及格的成绩有: ");// 遍历动态分配的内存中的 5 个整数for (int i = 0; i < 5; i++){// 如果成绩小于 60，输出该成绩if (p[i] < 60){printf(" %d ", p[i]);}}
}

        输出结果如下所示：