快捷導(dǎo)航

C語言實(shí)現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配

更新時間：2026年07月05日 08:37:15 作者：雨白

本文主要介紹了C語言實(shí)現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

棧區(qū)與堆區(qū)初探

C程序會對內(nèi)存進(jìn)行分區(qū)，主要分為5個區(qū)域：

棧區(qū)（Stack）
堆區(qū)（Heap）
全局/靜態(tài)區(qū)
常量區(qū)（Constant）
代碼區(qū)

我們先主要了解前兩個：

棧內(nèi)存由編譯器自動分配和釋放，我們不需要操心。每調(diào)用一個函數(shù)，都會在棧區(qū)為該函數(shù)分配一塊內(nèi)存區(qū)域，這塊區(qū)域就叫做函數(shù)棧幀。其中主要存放一些非靜態(tài)的局部變量、函數(shù)參數(shù)等。

例如，下面代碼中的函數(shù)形參 b、定義的局部變量 a 所用到的內(nèi)存，都會由編譯器自動開辟，開辟的方式是靜態(tài)內(nèi)存開辟。當(dāng) add 函數(shù)執(zhí)行完畢返回時，對應(yīng)的函數(shù)棧幀就會被銷毀，自然這些占用的內(nèi)存會被編譯器自動回收。

int add(int b) {
	int a = 10;
	return a + b;
}

而堆內(nèi)存由我們程序員手動分配（malloc 或 calloc）和釋放（free）。

malloc 和 calloc 的區(qū)別在于：malloc 分配的內(nèi)存存儲的都是未初始化的隨機(jī)垃圾值，而 calloc 會自動將分配的內(nèi)存全部初始化為 0。

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

int main() {
	// 申請了32MB的內(nèi)存
	int* arr = (int*) malloc(8 * 1024 * 1024 * sizeof(int)); // 返回值類型是void*，表示無類型指針，我們可以強(qiáng)轉(zhuǎn)賦予它類型
	
	// 每次動態(tài)分配內(nèi)存后，都要檢查返回值是否為 NULL
	if (arr == NULL) {
		// 防止操作到空指針，導(dǎo)致程序崩潰
		printf("Memory allocation failed!\n");
		return -1; 
	}

	// 釋放內(nèi)存        
	free(arr);
	// 置空，防止野指針
	arr = NULL;
	
	return 0;
}

堆內(nèi)存的開辟方式是動態(tài)內(nèi)存開辟，這些內(nèi)存不會自動回收，如果不手動回收，就會造成內(nèi)存泄漏。

此外，棧空間通常很?。?MB），堆空間則很大，和系統(tǒng)可用的內(nèi)存有關(guān)。

運(yùn)行時決定內(nèi)存大小

動態(tài)內(nèi)存開辟的使用場景有很多：數(shù)據(jù)長度只在運(yùn)行時才確定、?？臻g不滿足需求、需要延長變量的生命周期、內(nèi)存大小需要動態(tài)改變等。

我們以第一種場景為例：運(yùn)行時由用戶輸入決定人員的數(shù)量。

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

int main() {
	// 用戶輸入
	int num = 0;
	printf("Please enter the number of people.\n");
	scanf_s("%d", &num);

	// 開辟對應(yīng)大小的空間
	int* arr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	
	// 檢查內(nèi)存是否開辟成功
	if (arr == NULL) {
		printf("Memory allocation failed!\n");
		return -1; // 退出程序
	}

	for (int i = 0; i < num; i++)
	{
		// 輸入年齡
		int age = 0;
		printf("Please enter the age of the %d member at this position.\n", i + 1);
		scanf_s("%d", &age);
		arr[i] = age;
	}

	// 輸出每個人的年齡
	for (int i = 0; i < num; i++)
	{
		printf("The age of the %d member is %d\n", i + 1, arr[i]);
	}

	// 釋放并置空
	free(arr);
	arr = NULL;
	
	return 0;
}

scanf_s 是 Visual Studio 環(huán)境下特有的安全函數(shù)，在非 VS 環(huán)境中請使用 scanf。

運(yùn)行結(jié)果：

realloc 的擴(kuò)容機(jī)制與暗坑

再來看看第四種場景，普通的數(shù)組一旦定義后，長度就固定了，而動態(tài)內(nèi)存的大小可以使用 realloc 進(jìn)行重新調(diào)整，根據(jù)自己的需要擴(kuò)容或縮容。

使用 realloc 進(jìn)行擴(kuò)容時，有兩種情況：

原地擴(kuò)容：如果原位置后有足夠的連續(xù)內(nèi)存空間，它會直接在原地址后追加空間，返回的地址和原地址相同。

異地擴(kuò)容：如果原位置所需的連續(xù)地址空間不足，它會嘗試在堆區(qū)找到一塊合適的內(nèi)存空間，將之前的數(shù)據(jù)拷貝到新位置，并自動釋放之前的舊內(nèi)存，最后返回指向這塊新內(nèi)存空間的指針。

因為異地擴(kuò)容很常見，所以我們應(yīng)該總是要使用新的指針去接收返回值。同時，如果發(fā)生后了異地擴(kuò)容，原來的指針就變?yōu)榱艘爸羔?，?yīng)該置為空。

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

int main() {
	// 初始可以存儲8個整型
	int* p = (int*)malloc(8 * sizeof(int));
	if (p == NULL) {
		printf("Initial memory allocation failed.\n");
		return -1;
	}

	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}

	printf("Before capacity expansion\n");
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	// 擴(kuò)容至16
	printf("\nAfter capacity expansion\n");
	
	// 使用新指針變量接收，防止因擴(kuò)容失敗導(dǎo)致原內(nèi)存地址 p 丟失
	int* new_p = (int*)realloc(p, 16 * sizeof(int));
	
	if (new_p == NULL) {
		printf("\nFailed to allocate memory for expansion.\n");
		// 擴(kuò)容失敗，舊內(nèi)存 p 依然有效，程序結(jié)束前記得釋放
		free(p);
		p = NULL;
		return -1;
	}

	// 擴(kuò)容成功，原指針 p 可能已在異地擴(kuò)容中被自動釋放而失效，為防止誤用，我們將其置空
	p = NULL; 

	for (int i = 8; i < 16; i++)
	{
		new_p[i] = i + 1;
	}
	for (int i = 0; i < 16; i++)
	{
		printf("%d ", new_p[i]);
	}

	// 此時由 new_p 管理這塊空間，我們只需釋放 new_p
	free(new_p);
	new_p = NULL;

	return 0;
}

如果 realloc 擴(kuò)容失敗，它將返回 NULL 空指針，但舊內(nèi)存不會被釋放，我們需要手動處理。

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

int main() {
	int* p = (int*)malloc(8 * sizeof(int));
	if (p == NULL) return -1;
	
	// 嘗試申請一塊非常大的內(nèi)存，模擬失敗的情況
	int* new_p = (int*)realloc(p, 8 * 1024LL * 1024 * 1024 * sizeof(int));

	if (new_p == NULL)
	{
		printf("Failed to allocate memory.\n");
		// 雖然申請新內(nèi)存失敗，但是舊內(nèi)存塊 p 依然存在，需要由我們手動釋放
		free(p);
		p = NULL;
	}
	else 
	{
		printf("Success to allocate memory.\n");
		// 如果成功，釋放新指針 new_p 即可
		free(new_p);
		new_p = NULL;
		p = NULL; // 置空防誤用
	} 
	
	return 0;
}