C语言动态内存管理：malloc与free

动态内存管理是C语言中一个重要的概念，它允许程序在运行时根据需要分配和释放内存。malloc和free是C标准库中用于动态内存管理的两个基本函数。本文将详细介绍这两个函数的用法、优缺点、注意事项，并提供丰富的示例代码。

1. malloc函数

1.1 函数原型

void* malloc(size_t size);

1.2 功能

malloc函数用于分配指定字节数的内存块，并返回指向该内存块的指针。如果分配失败，返回NULL。

1.3 使用示例

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

int main() {
    int *arr;
    size_t n = 5;

    // 动态分配内存
    arr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i * 10;
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);
    return 0;
}

1.4 优点

灵活性：可以根据需要动态分配内存，适应不同大小的数据结构。
节省内存：只在需要时分配内存，避免了静态分配可能导致的内存浪费。

1.5 缺点

内存泄漏：如果分配的内存没有被释放，可能导致内存泄漏，最终耗尽可用内存。
分配失败：在内存不足时，malloc可能返回NULL，需要进行错误处理。

1.6 注意事项

使用malloc后，务必使用free释放内存。
在使用返回的指针之前，检查其是否为NULL。
不要对同一块内存多次调用free，这会导致未定义行为。

2. free函数

2.1 函数原型

void free(void* ptr);

2.2 功能

free函数用于释放之前通过malloc、calloc或realloc分配的内存块。

2.3 使用示例

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

int main() {
    int *arr;
    size_t n = 5;

    arr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i * 10;
    }

    // 释放内存
    free(arr);
    arr = NULL; // 避免悬空指针

    return 0;
}

2.4 优点

释放资源：free可以有效地释放不再需要的内存，避免内存泄漏。
提高程序稳定性：通过合理的内存管理，可以提高程序的稳定性和性能。

2.5 缺点

悬空指针：调用free后，指针仍然指向原内存地址，可能导致悬空指针问题。
双重释放：对同一指针多次调用free会导致未定义行为。

2.6 注意事项

在调用free后，将指针设置为NULL，以避免悬空指针。
确保只释放通过malloc、calloc或realloc分配的内存。

3. 结合使用示例

下面是一个结合使用malloc和free的完整示例，演示如何动态创建一个二维数组。

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

int main() {
    size_t rows = 3, cols = 4;
    int **matrix;

    // 分配内存
    matrix = (int**)malloc(rows * sizeof(int*));
    if (matrix == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    for (size_t i = 0; i < rows; i++) {
        matrix[i] = (int*)malloc(cols * sizeof(int));
        if (matrix[i] == NULL) {
            fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
            // 释放已分配的内存
            for (size_t j = 0; j < i; j++) {
                free(matrix[j]);
            }
            free(matrix);
            return 1;
        }
    }

    // 使用分配的内存
    for (size_t i = 0; i < rows; i++) {
        for (size_t j = 0; j < cols; j++) {
            matrix[i][j] = i * cols + j;
            printf("%d ", matrix[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    // 释放内存
    for (size_t i = 0; i < rows; i++) {
        free(matrix[i]);
    }
    free(matrix);

    return 0;
}

4. 总结

动态内存管理是C语言中一个强大而灵活的特性。通过合理使用malloc和free，可以有效地管理内存资源，提高程序的性能和稳定性。然而，动态内存管理也带来了额外的复杂性，开发者需要谨慎处理内存分配和释放，以避免内存泄漏和未定义行为。希望本文能帮助你更好地理解和使用C语言中的动态内存管理。