编辑“︁C 语言动态内存分配”︁

{{Note|本教程假设读者已掌握[[C语言基础语法]]和[[指针]]的基本概念。}}

= C语言动态内存分配 =

'''动态内存分配'''是C语言中通过运行时请求操作系统分配内存的机制，与编译时确定大小的静态内存分配形成对比。该技术允许程序根据实际需求灵活管理内存，是构建动态数据结构（如链表、树等）的核心技术。

== 核心概念 ==

在C语言中，动态内存分配通过四个标准库函数实现，均在<stdlib.h>中声明：

{| class="wikitable"
! 函数 !! 作用 !! 生命周期
|-
| <code>malloc()</code> || 分配未初始化的内存块 || 直到调用<code>free()</code>
|-
| <code>calloc()</code> || 分配并清零的内存块 || 直到调用<code>free()</code>
|-
| <code>realloc()</code> || 调整已分配内存的大小 || 新指针替代原指针
|-
| <code>free()</code> || 释放已分配的内存 || 立即生效
|}

=== 内存布局图示 ===
<mermaid>
graph TD
    A[程序内存布局] --> B[代码区]
    A --> C[静态存储区]
    A --> D[栈]
    A --> E[堆]
    E -->|malloc/calloc/realloc| F[动态分配内存块]
    F -->|free| E
</mermaid>

== 函数详解 ==

=== malloc() ===
分配指定字节的未初始化内存块：
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
</syntaxhighlight>

'''示例：'''
<syntaxhighlight lang="c">
int *arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 分配20字节（假设int为4字节）
if (arr == NULL) {
    // 处理分配失败
}
</syntaxhighlight>

=== calloc() ===
分配并清零的内存块，参数为元素个数和单个元素大小：
<syntaxhighlight lang="c">
void *calloc(size_t num, size_t size);
</syntaxhighlight>

'''示例：'''
<syntaxhighlight lang="c">
double *matrix = (double*)calloc(10, sizeof(double)); // 分配归零的10个double
</syntaxhighlight>

=== realloc() ===
调整已分配内存块的大小：
<syntaxhighlight lang="c">
void *realloc(void *ptr, size_t new_size);
</syntaxhighlight>

'''示例：'''
<syntaxhighlight lang="c">
int *arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
arr = (int*)realloc(arr, 10 * sizeof(int)); // 扩展到40字节
</syntaxhighlight>

=== free() ===
释放动态分配的内存：
<syntaxhighlight lang="c">
void free(void *ptr);
</syntaxhighlight>

'''重要规则：'''
* 只能释放由malloc/calloc/realloc返回的指针
* 禁止重复释放同一指针
* 释放后应将指针置为NULL

== 内存管理原理 ==

动态内存分配在'''堆'''区域进行，其特点包括：
* 分配/释放需要手动管理
* 内存碎片化风险
* 分配失败返回NULL指针

内存分配器工作原理：
<mermaid>
sequenceDiagram
    participant Program
    participant Allocator
    participant OS
    Program->>Allocator: malloc(100)
    Allocator->>OS: sbrk()/mmap()
    OS-->>Allocator: 内存块地址
    Allocator-->>Program: 返回指针
</mermaid>

== 最佳实践 ==

=== 错误处理模式 ===
<syntaxhighlight lang="c">
int *buffer = (int*)malloc(large_size);
if (buffer == NULL) {
    perror("内存分配失败");
    exit(EXIT_FAILURE); // 或执行其他恢复逻辑
}
</syntaxhighlight>

=== 内存泄漏检测 ===
常见内存问题包括：
* 忘记释放内存
* 使用已释放内存
* 越界访问

使用工具如Valgrind检测：
<syntaxhighlight lang="bash">
valgrind --leak-check=full ./your_program
</syntaxhighlight>

== 实际应用案例 ==

=== 动态数组实现 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int *data;
    size_t size;
    size_t capacity;
} DynamicArray;

void initArray(DynamicArray *arr, size_t initialCapacity) {
    arr->data = (int*)malloc(initialCapacity * sizeof(int));
    arr->size = 0;
    arr->capacity = initialCapacity;
}

void pushBack(DynamicArray *arr, int value) {
    if (arr->size >= arr->capacity) {
        arr->capacity *= 2;
        arr->data = (int*)realloc(arr->data, arr->capacity * sizeof(int));
    }
    arr->data[arr->size++] = value;
}

void freeArray(DynamicArray *arr) {
    free(arr->data);
    arr->data = NULL;
    arr->size = arr->capacity = 0;
}
</syntaxhighlight>

=== 性能考量 ===
动态分配涉及系统调用，比栈分配更耗时。典型操作时间（纳秒级）：
<math>
T_{malloc} \approx 100-300ns \quad \text{vs} \quad T_{stack} \approx 1-3ns
</math>

== 进阶主题 ==

* 内存池技术
* 自定义分配器实现
* 垃圾收集算法基础
* 多线程环境下的内存管理

{{Warning|动态内存分配不当是C程序崩溃的常见原因，务必：}}
* 检查分配返回值
* 避免野指针
* 及时释放内存
* 使用静态分析工具

[[Category:C语言核心概念]]
[[Category:内存管理]]

[[Category:编程语言]]
[[Category:C]]
[[Category:C 语言内存管理]]