C语言动态内存管理：`calloc`与`realloc`

在C语言中，动态内存管理是一个重要的概念，它允许程序在运行时根据需要分配和释放内存。calloc和realloc是C标准库中两个常用的动态内存管理函数。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. `calloc`函数

1.1 函数原型

void* calloc(size_t num, size_t size);

1.2 功能

calloc用于分配一块内存，大小为num * size字节，并将这块内存初始化为零。

1.3 优点

初始化：calloc会将分配的内存初始化为零，这在某些情况下可以避免未初始化内存带来的错误。
分配多个元素：calloc可以一次性分配多个元素，简化了代码。

1.4 缺点

性能：由于需要初始化内存，calloc的性能可能比malloc稍差，尤其是在分配大块内存时。
错误处理：如果内存分配失败，calloc返回NULL，需要进行错误检查。

1.5 示例代码

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

int main() {
    int num_elements = 5;
    int *arr = (int *)calloc(num_elements, sizeof(int));

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

    // 打印初始化后的数组
    for (int i = 0; i < num_elements; i++) {
        printf("arr[%d] = %d\n", i, arr[i]); // 应该全部为0
    }

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

2. `realloc`函数

2.1 函数原型

void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

2.2 功能

realloc用于重新分配一块内存，改变其大小为new_size字节。如果ptr为NULL，则相当于调用malloc；如果new_size为0，则相当于调用free。

2.3 优点

动态调整：realloc允许在运行时调整已分配内存的大小，适应程序的需求变化。
内存重用：如果新的大小小于原来的大小，realloc会释放多余的内存；如果新的大小大于原来的大小，realloc会尝试扩展内存。

2.4 缺点

内存移动：如果原内存块无法扩展，realloc会分配新的内存并将数据复制过去，这可能导致性能下降。
指针失效：如果realloc返回一个新的指针，原来的指针将失效，必须小心处理。

2.5 示例代码

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

int main() {
    int initial_size = 5;
    int *arr = (int *)malloc(initial_size * sizeof(int));

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

    // 初始化数组
    for (int i = 0; i < initial_size; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 扩展数组
    int new_size = 10;
    arr = (int *)realloc(arr, new_size * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory reallocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 打印扩展后的数组
    for (int i = 0; i < new_size; i++) {
        printf("arr[%d] = %d\n", i, arr[i]); // 新分配的部分未初始化
    }

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

3. 注意事项

3.1 对于`calloc`

检查返回值：始终检查calloc的返回值，以确保内存分配成功。
内存泄漏：使用完毕后，务必调用free释放内存，避免内存泄漏。

3.2 对于`realloc`

指针处理：在调用realloc后，务必使用返回值更新指针，避免使用失效的指针。
内存管理：如果realloc失败，原来的内存块仍然有效，因此需要妥善处理。

4. 总结

calloc和realloc是C语言中非常重要的动态内存管理函数。calloc提供了内存初始化的便利，而realloc则允许动态调整内存大小。理解它们的优缺点和使用注意事项，对于编写高效、稳定的C程序至关重要。通过合理使用这两个函数，可以有效管理内存，避免内存泄漏和未定义行为。

C语言动态内存管理：calloc与realloc

1. calloc函数