C语言动态内存分配函数的实现

下面我为你详细讲解“C语言动态内存分配函数的实现”的完整攻略。

1. 动态内存分配函数

动态内存分配函数包括以下三个函数，都定义在头文件stdlib.h中：

• malloc()：动态分配内存，返回void类型的指针（即void *），指向新分配的内存块的首地址。
• calloc()：动态分配内存，并在分配时将内存初始化为0，返回void类型的指针（即void *），指向新分配的内存块的首地址。
• realloc()：重新分配之前已分配的内存大小，返回void类型的指针（即void *），指向新分配的内存块的首地址。

这三个函数分别用于在程序运行期间，动态地分配和管理内存。

2. malloc()函数实现

malloc()函数的原型如下：

void *malloc(size_t size);

size_t是unsigned类型的整数，通常是unsigned int类型，表示需要分配的内存块大小。

malloc()函数的实现过程如下：

1. 首先声明一个指针变量，指向分配的内存块。
2. 调用系统函数sbrk()向操作系统请求size字节的内存空间。
3. 如果sbrk()调用成功，则把返回值（也就是新申请到的内存块的首地址）赋值给指针变量，并返回指针变量。
4. 如果sbrk()调用失败（返回-1），则返回NULL。

下面是一个示例说明，使用malloc()函数动态分配内存：

int *p;
p = (int *) malloc(sizeof(int) * 5);  // 动态分配5个int类型的内存块
if (p == NULL) {
    printf("malloc failed\n");
} else {
    // 内存分配成功，可以使用指针进行操作
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        p[i] = i + 1;
    }
}

3. calloc()函数实现

calloc()函数的原型如下：

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

nmemb是unsigned类型的整数，表示需要分配的元素个数；size表示每个元素的大小。

calloc()函数的实现过程如下：

1. 明确需要分配的总内存大小total_size，等于元素个数nmemb乘以每个元素的大小size。
2. 调用系统函数sbrk()向操作系统请求total_size字节的内存空间。
3. 如果sbrk()调用成功，则把返回值（新申请到的内存块的首地址）赋值给指针变量，并返回指针变量。
4. 把申请到的内存块清零，初始化其所有字节为0。

下面是一个示例说明，使用calloc()函数动态分配内存：

int *p;
p = (int *) calloc(5, sizeof(int));  // 动态分配5个int类型的内存块，并初始化为0
if (p == NULL) {
    printf("calloc failed\n");
} else {
    // 内存分配成功，可以使用指针进行操作
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", p[i]);  // 输出0 0 0 0 0
    }
}

4. realloc()函数实现

realloc()函数的原型如下：

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

ptr是指向先前已分配内存块的指针，size是需要重新分配的内存块大小。

realloc()函数的实现过程如下：

1. 如果ptr为NULL，则直接调用malloc()函数分配size大小的内存块，并返回指针。
2. 如果size为0，则直接调用free()函数释放ptr指针指向的内存块，并返回NULL。
3. 调用系统函数brk()，计算出下一块空闲内存的首地址next_block。
4. 如果next_block等于realloc前内存块的首地址块的尾地址，则直接扩展内存块大小，并返回ptr指针，realloc调用结束。
5. 如果next_block小于ptr指向的内存块的尾地址，则当前内存块不能扩展，需要重新申请一块大于size的内存块，并将原有内存块的数据复制到新的内存块里，然后释放原有内存块，返回新分配内存块的首地址。
6. 如果next_block大于ptr指向的内存块的尾地址，则可以直接扩展内存块大小。

下面是一个示例说明，使用realloc()函数重新分配内存：

int *p;
p = (int *) malloc(sizeof(int) * 5);  // 动态分配5个int类型的内存块
if (p == NULL) {
    printf("malloc failed\n");
} else {
    // 内存分配成功，可以使用指针进行操作
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        p[i] = i + 1;
    }
    p = (int *) realloc(p, sizeof(int) * 10);  // 扩展内存块大小为10个int
    if (p == NULL) {
        printf("realloc failed\n");
    } else {
        // 内存扩展成功，可以使用指针进行操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            printf("%d ", p[i]);  // 输出1 2 3 4 5 0 0 0 0 0
        }
    }
}