C Gossip: malloc()、free()、calloc() 與 realloc()－zer931的部落格

C Gossip: malloc()、free()、calloc() 與 realloc()

from http://caterpillar.onlyfun.net/Gossip/CGossip/MallocFree.html

到目前為止，您都是事先宣告好所要使用的變數，當程式開始執行時，這些變數就會自動被配置記憶體空間。

然而有時有些變數並不知道何時會被使用，您希望在使用到的時候再配置空間給變數，並在變數不使用的時候，將變數所佔有的空間還給記憶體，這時候我們可以使用malloc()與free()函式。

舉個簡單的例子來說，您可以在程式中以動態的方式來配置一個int型態大小的記憶體，例如：

int *ptr = malloc(sizeof(int));

在這段程式中，malloc()運算子會配置一個int所需要的空間，並傳回該空間的位址，所以您使用指標ptr來儲存這個位址，這段程式只配置空間但不初始空間中的儲存值。

以下使用一個簡單的程式來示範動態配置的使用：

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

int main(void) {
    int *ptr = malloc(sizeof(int)); 

    printf("空間位置:%X\n", ptr);
    printf("空間儲存值：%d\n", *ptr);

    *ptr = 200; 

    printf("空間位置:%X\n", ptr);
    printf("空間儲存值：%d\n", *ptr);

    free(ptr);
        
    return 0;
}

執行結果：

空間位置:A31330
空間儲存值：10717912
空間位置:A31330
空間儲存值：200

使用malloc()函式動態配置的空間，在整個程式結束前並不會自動歸還給記憶體，您必須使用free()函式將這個空間還給記憶體，如上面的程式在結束前所作的動作，在這個程式中，雖然顯示完畢後程式也就結束，但這邊還是示free() 的用法，而這也是個好習慣，日後您的程式在持續執行過程中若大量使用malloc()而沒有適當的使用free()的話，由於空間一直沒有歸還，最後將導致整個記憶體空間用盡。

接下來看一個簡單的動態記憶體配置的應用，您知道陣列使用的一個缺點，就是陣列的大小必須事先決定好，然而有時候您無法知道我們會使用多大的陣列，或者希望由使用者自行決定陣列大小，這時候您就可以使用動態記憶體配置加上指標運算來解決這個問題，先說明陣列動態配置的方式，如下所示：

int *arr = malloc(1000 * sizeof(int));

這段程式碼動態配置了1000個int大小的空間，並傳回空間的第一個位址，配置後的空間資料是未知的，您可以使用calloc()來宣告空間配置，例如：

int *arr = calloc(1000, sizeof(int));

這個程式將宣告1000個int大小的空間，並將所有的空間值初始為0。同樣的，使用malloc()或calloc()配置得來的空間，在不使用時應該使用free()歸還給記憶體，方法如下：

free(arr);

下面這個程式是個陣列動態配置的簡單示範：

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

int main(void) {
    int size = 0; 

    printf("請輸入陣列長度："); 
    scanf("%d", &size); 
    int *arr = malloc(size * sizeof(int));

    int i;
    
    printf("顯示元素值：\n");
    for(i = 0; i < size; i++) {
        printf("arr[%d] = %d\n", i, *(arr+i));
    } 
        
    printf("指定元素值：\n"); 
    for(i = 0; i < size; i++) { 
        printf("arr[%d] = ", i); 
        scanf("%d" , arr + i); 
    } 

    printf("顯示元素值：\n");
    for(i = 0; i < size; i++) {
        printf("arr[%d] = %d\n", i, *(arr+i));
    } 

    free(arr); 
    
    return 0;
}

執行結果：

顯示元素值：
arr[0] = 25892816
arr[1] = 8983344
arr[2] = 0
arr[3] = 0
指定元素值：
arr[0] = 1
arr[1] = 2
arr[2] = 3
arr[3] = 4
顯示元素值：
arr[0] = 1
arr[1] = 2
arr[2] = 3
arr[3] = 4

您也可以使用指標來模擬二維陣列，只要清楚二維陣列中的兩個維度的索引值之位移量就可以了，這在二維陣列中有談到了，下面這個程式是個簡單的示範：

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

int main(void) {
    int m = 0;
    int n = 0; 

    printf("輸入二維陣列維度(m*n)："); 
    scanf("%d*%d", &m, &n); 

    int *ptr = malloc(m * n * sizeof(int)); 
 
    int i, j;
    for(i = 0; i < m; i++) {
        for(j = 0; j < n; j++) {
            *(ptr + n*i + j) = i + j; 
        }
    }

    for(i = 0; i < m; i++) { 
        for(j = 0; j < n; j++) {
            printf("%d\t", *(ptr+n*i+j)); 
        } 
        putchar('\n');
    } 

    free(ptr); 
        
    return 0;
}

執行結果：

輸入二維陣列維度(m*n)：2*3
0 1 2
1 2 3

如果要改變先前配置的記憶體大小，則可以使用realloc()，您必須先使用malloc()、calloc()或realloc()配置記憶體，而後使用所得到的位址來使用realloc()重新配置記憶體大小，例如：

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

int main(void) {
    int size = 0; 

    printf("請輸入陣列長度："); 
    scanf("%d", &size); 
    int *arr1 = malloc(size * sizeof(int));

    int i;
            
    printf("指定元素值：\n"); 
    for(i = 0; i < size; i++) { 
        printf("arr1[%d] = ", i); 
        scanf("%d" , arr1 + i); 
    } 

    printf("顯示元素值：\n");
    for(i = 0; i < size; i++) {
        printf("arr1[%d] = %d\n", i, *(arr1+i));
    } 

 int *arr2 = realloc(arr1, sizeof(int) * size * 2);
    printf("顯示元素值：\n");
    for(i = 0; i < size * 2; i++) {
        printf("arr2[%d] = %d\n", i, *(arr2+i));
    }
	
    printf("arr1 address: %d\n", arr1);
    printf("arr2 address: %d\n", arr2);
	
    free(arr2);

    return 0;
}

執行結果：

請輸入陣列長度：2
指定元素值：
arr1[0] = 1
arr1[1] = 2
顯示元素值：
arr1[0] = 1
arr1[1] = 2
顯示元素值：
arr2[0] = 1
arr2[1] = 2
arr2[2] = 1599361871
arr2[3] = 1128613955
arr1 address: 5771032
arr2 address: 5771032

在這邊要注意的是，上例中，arr1與arr2的位址相同並不保證，realloc ()會需要複製資料來改變記憶體的大小，若原位址有足夠的空間，則使用原位址調整記憶體的大小，若空間不足，則重新尋找足夠的空間來進行配置，在這個情況下，realloc()前舊位址的空間會被釋放掉，因此，您必須使用realloc()所傳回的新位址，而不該使用舊位址，若realloc()失敗，則傳回空指標（null）。最好是進行檢查：

int *arr2 = realloc(arr1, sizeof(int) * size * 2);
if(!arr2) arr1 = arr2;
....
free(arr1);

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