使用C/C++编程时，会经常动态分配内存，以便合理使用内存，本文主要讲述动态内存分配的几种方法及一些原理，理解不深刻之处欢迎指教。

引言

  为什么要进行动态内存分配？以数组为例，数组元素在内存中存储的地址是连续的。声明一个数组后，该数组需要的内存大小在程序编译时就被分配，但是该数组实际所需内存大小在程序运行时才知道，若运行时发现数组所需内存大于编译时的分配好的数组内存，就会报错，示例程序如下：

#include <stdio.h>
int main(void)
{int arr[3];for (int i = 0; i < 5; i++)scanf("%d", &arr[i]);for (int i = 0; i < 5; i++)printf("%d ", arr[i]);printf("\n");return 0;
}

  首先声明了有三个元素的数组arr，但是在实际输入时输入了5个元素，也就是说编译器在编译时给arr分配了3个int型大小的内存块，但是在运行时需要5个int型大小的内存块,就会报如下错误。

  因此人们采取了一个简单的方法，就是声明一个足够大的数组，例如int arr[1000]。但是该方法有以下缺点：
（1）若程序所需的数组元素个数大于1000，也会造成上述错误；
（2）若程序所需的数组元素个数只有5，会浪费很大的内存空间；
（3）若程序所需的数据元素个数大于1000，为了提高程序的鲁棒性，应该做出合理的响应，而不是简单报错。
  为了解决上述问题，就需要动态分配内存，所谓动态分配内存，通俗理解是需要多大的内存，就分配多大的内存。在C语言中，与动态内存分配有关的函数为malloc、calloc、realloc、free，这些函数在库文件<stdlib.h>中声明；C++中，与动态内存分配有关的运算符为new、delete。

malloc

  malloc是C语言提供的执行内存分配的函数。malloc函数原型为"void *malloc(size_t size);"，当程序调用malloc函数时，malloc就从内存池中提取相应大小的连续内存块，并返回指向该内存块起始位置的指针。示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int *p;int count;scanf("%d", &count);          //输入元素个数p = (int *)malloc(count*sizeof(int));//分配内存空间，将首地址赋给pif (p == NULL)                   //若分配失败，报错exit(-2);for (int i = 0; i < count; i++)scanf("%d", p + i);for (int i = 0; i < count; i++)printf("%d ", *(p + i));printf("\n");free(p);return 0;
}

  关于malloc函数，注意以下几点：
（1）malloc申请的内存是连续的，由于数组的内存也是连续的，因此二者有相通之处，*(p+i)可以表示为数组的第（i+1）个元素；
（2）如果内存池是空的，malloc会向操作系统请求得到更多的内存，然后进行分配；如果操作系统无法向malloc提供更多的内存，malloc就会返回NULL指针，NULL其实就是一个宏定义，值为0，因此对p的值检查是十分必要的，如果p为NULL，表示没分配到内存，自然就不能进行接下来的步骤了。
（3）观察函数原型"void *malloc(size_t size);"可知，malloc返回的是void *类型的指针，这是因为malloc无法得知程序用分配好的内存块存储什么类型的数据（例如int、char、double等），因此返回void *类型，而void *类型可以转为其他任何类型的指针，上述程序就将void *类型强制转换为int *类型，以便该内存块存储int型的数据。
（4）从指针角度看，因为指针存储的是变量的地址，是一个地址值，因此“p = (int )malloc(countsizeof(int))”这个操作可以理解为对指针p初始化。

calloc

  calloc也用于内存分配，函数原型为"void *calloc(size_t num_elements,size_t element_size);"，示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int *p;int count;scanf("%d", &count);p = (int *)calloc(count,sizeof(int));if (p == NULL)exit(-2);for (int i = 0; i < count; i++)printf("%d ", *(p + i));printf("\n");free(p);return 0;
}

  程序运行结果如下：

  该函数和malloc有以下区别：
（1）申请完内存块后,calloc将该内存块存储的值初始化为0，然后才返回指向该内存块起始位置的指针；
（2）两个函数请求内存大小的方式不同，可见参数列表。

realloc

  realloc主要用于修改已经分配的内存的大小，函数原型为“void *realloc(void *ptr,size_t new_size);”，ptr代表已经分配内存的首地址，new_size代表修改后的大小。若用于扩大一个内存块，该内存块原先的内容保留，新增加的内存添加到原先的内存块的后面，并且新增加的部分没有初始化；若用于缩小一个内存块，该内存块的尾部的部分内存被裁减掉，前面的部分内存的内容依然保留。示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int *p,*newbase;int count;scanf("%d", &count);p = (int *)malloc(count*sizeof(int));if (p == NULL)exit(-2);for (int i = 0; i < count; i++)scanf("%d", p + i);for (int i = 0; i < count; i++)printf("%d ", *(p + i));printf("\n");newbase = (int *)realloc(p, 2*count*sizeof(int));if (newbase == NULL)exit(-2);for (int i = count; i < 2 * count; i++)scanf("%d", newbase + i);for (int i = 0; i < 2*count; i++)printf("%d ", *(newbase + i));printf("\n");free(newbase);return 0;
}

  程序运行结果如下：

  关于该函数，注意：若原先的内存块的大小无法改变，realloc将分配另一块指定大小的内存块，并将原先内存块的内容复制到新的内存块上。若发生这种情况，内存块的首地址就发生了改变，因此应使用新的指针接收realloc函数的返回值。

free

  当动态分配的内存不再需要时，应该将其释放掉，以便以后重新分配，若使用完不释放会引起内存泄漏。free函数用来释放malloc、calloc、realloc申请的内存空间，函数原型为“void free(void *ptr)”，ptr是指向要释放的内存块的指针，该函数没有返回值，free的参数若是NULL，则free不会产生任何效果。示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int *p;p = (int *)calloc(5, sizeof(int));if (p == NULL)exit(-2);printf("地址和值分别为：%p %d\n", p, *p);for (int i = 0; i < 5; i++)printf("%d ", *(p + i));printf("\n");free(p);printf("释放后地址和值分别为：%p %d\n", p, *p);p = NULL;printf("地址为：%p\n", p);return 0;
}

  运行结果如下：

  注意：使用free释放的是内存块，而不是ptr这个指针变量，ptr的这个指针变量仍然指向该内存空间，只不过该内存空间的内容是毫无意义的是，是未定义的，为了防止以后程序不小心使用了它，要把它指向NULL。

new

new是C++的一个关键字，也是操作符，C语言并没有new，new也经常被用于动态内存分配，示例程序如下：

#include <iostream>
using namespace std;
int main(void)
{int *p, *q,*s;p = new int; //申请分配一个存储int型数据的内存块,相当于"p=(int *)malloc(sizeof(int));"q = new int(0); //申请分配一个存储int型数据的内存块，并初始化为0，相当于"q=(int *)calloc(sizeof(int))";s = new int[10]; //申请分配十个存储int类型数据的内存块，相当于"s=(int *)malloc(10*sizeof(int))";delete p;delete q;delete[] s;return 0;
}

  它和malloc有如下区别：
（1）new申请内存分配时无需指定内存块的大小，编译器会自己计算，malloc则需要使用sizeof等函数计算好内存块的大小；
（2）若申请成功，new会返回指定类型的指针，不需再进行类型转换；而malloc返回的是void *类型的，还需强制转换成我们需要的类型；
（3）若申请失败，new会抛出bac_alloc异常，而malloc会返回NULL。
  关于更详细的解释，可见博客动态内存分配、malloc与new的区别，这篇博客从更深层次的角度分析了malloc和new的区别。

delete

  new申请的内存块不被释放，也会造成内存泄露，C++主要使用delete来释放new申请的内存。delete用于释放new申请的单个元素分配的内存，delete[]用于释放new []申请的多个元素分配的内存，具体使用方法见上述程序。注意：使用delete释放的是内存块，而不是s这个指针变量，释放完后，s就变为随机值了，如果在接下来的程序中，没有给s赋新值就再调用s，由于s在内存中是随机值，就有可能指向重要地址，以致使系统崩溃，稳妥起见，如果delete之后程序还没结束，就将s的值赋为NULL。

补充

  内存的分配方式有以下四种：
（1）从静态存储区域分配，例如全局变量，这些内存在程序编译时就已分配，程序运行期间都存在；
（2）从栈上分配，例如局部变量，这些内存在函数结束时被自动释放；
（3）从堆上分配，例如malloc函数申请的内存，动态内存的生存期不会随着函数结束释放，由程序员决定；
（4）其他，例如常量、二进制代码等，这些内存在程序运行期间一直存在，程序结束后释放。