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J.J. Huang   2019-10-24   C   瀏覽次數:

C語言 - 第二十章 | 指標 - malloc()、free()、calloc() 與 realloc()

前置作業

由於很多語法在C++裡面,很多的語法、型態、轉型⋯等等,都非常的嚴謹,而教材又有點年紀了。

將專案修改為C專案,請參考在 Visual Studio 2019 中建立和執行 C 專案

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什麼是malloc()free()calloc()realloc()

到目前為止,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,若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,這時候可以使用malloc()free()函式。

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

malloc()運算子會配置一個int需要的空間,並傳回該空間的位址,所以使用指標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。

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

int main() {

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

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

*ptr = 200;

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

free(ptr);

return 0;
}

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,必須使用free()函式將空間還給記憶體,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,但這邊還是示範了free()的用法,而這也是個好習慣,日後程式在持續執行過程中,若大量使用malloc()而沒有適當地使用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。


來看一個簡單的動態記憶體配置的應用,陣列使用的一個缺點,就是陣列的大小必須事先決定好,然而有時候無法知道要使用多大的陣列,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。

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

這段程式碼動態配置了1000int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,可以使用calloc() 來宣告空間配置。

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

這個程式將宣告1000int大小的空間,並將所有的空間值初始為0。同樣地,使用malloc()calloc()配置得來的空間,在不使用時應該使用free()釋放。

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free(arr);
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {

int size = 0;

printf("請輸入陣列長度:");
scanf("%d", &size);

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

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

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

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

free(arr);

return 0;
}

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。

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

int main() {

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));

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

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

free(ptr);

return 0;
}


如果要改變先前配置的記憶體大小,則可以使用realloc(),你必須先使用malloc()calloc()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。

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

int main() {

int size = 0;

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

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

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

printf("arr1 address: %p\n", arr1);
printf("arr2 address: %p\n", arr2);

free(arr2);

return 0;
}

在這邊要注意的是,上例中,arr1arr2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,必須使用realloc()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。

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

註:以上參考了
在 Visual Studio 2019 中建立和執行 C 專案
malloc()、free()、calloc() 與 realloc()