Linux C 堆内存管理函数malloc()、calloc()、realloc()、free()详解

C 编程中，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：

• void * malloc(size_t n);
• void free(void * p);
• void *calloc(size_t n, size_t size);
• void * realloc(void * p, size_t 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：

void * malloc(size_t 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：

void * memset (void * p, int c, size_t 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：

int *p = NULL;
p = (int *) malloc(sizeof(int));

if (p == NULL)
{
	printf("Can’t get memory!
");
}

memset(p, 0, sizeof(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：

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

int main()
{
	int *p = NULL;
	p = (int *) malloc(sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("Can't get memory!
");
		return -1;
	}

	printf("%d
", *p);				// 输出分配的空间上的值
	memset(p, 0, sizeof(int));		// 将p指向的空间清0
	printf("%d
", *p);				// 输出调用memset函数后的结果
	*p = 2;
	printf("%d
", *p);
	
	return 0;
}

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：

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：

free(p);
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：

void *calloc(size_t n, size_t 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：

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

#define SIZE 5

int main()
{
	int *p = NULL;
	int i = 0;

	// 为p从堆上分配SIZE个int型空间
	p = (int *) calloc(SIZE, sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("Error in calloc.
");
		return -1;
	}

	// 为p指向的SIZE个int型空间赋值
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		p[i] = i;
	}

	// 输出各个空间的值
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("p[%d]=%d
", i, p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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：

void * realloc(void * p, size_t 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。realloc()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：

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

int main()
{
	int *p = NULL;

	p = (int *) malloc(sizeof(int));
	*p = 3;
	printf("p=%p
", p);
	printf("*p=%d
", *p);

	p = (int *) realloc(p, sizeof(int));
	printf("p=%p
", p);
	printf("*p=%d
", *p);

	p = (int *) realloc(p, 3 * sizeof(int));
	printf("p=%p
", p);
	printf("*p=%d", *p);

	// 释放p指向的空间
	realloc(p, 0);
	p = NULL;

	return 0;
}

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. realloc()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. realloc()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，realloc()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realloc()的返回值，重新赋值给p ： p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 15);

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realloc()函数，另外一个注意点：

realloc()有可能操作失败，返回NULL，所以不要把它的返回值直接赋值给原来的指针变量，以免原值丢失：

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

int main()
{
	char *str = NULL;
	str = (char *)malloc(sizeof(char));
	*str = 'a';

	char *p = (char *)realloc(str, sizeof(char) * 10);
	if (p != NULL)
	{
		str = p;
	}

	printf("%s
", str);

	return 0;
}

参考：

http://baike.baidu.com/view/736230.htm