How do malloc() and free() work?

malloc() 和 free() 是 C 语言标准库中用来进行动态内存分配的两个非常基础的函数。下面我将详细解释这两个函数的工作原理，并给出一个相关的例子。

malloc() 函数

malloc() 函数用于在堆上动态分配指定大小的内存块。它的原型定义在 <stdlib.h> 头文件中，如下：

c
void* malloc(size_t size);

这里的 size_t size 是需要分配的内存大小（以字节为单位）。如果分配成功，malloc() 返回一个指向分配的内存块的指针。如果分配失败（例如内存不足），则返回 NULL。

malloc() 只分配内存，不初始化内存。这意味着分配的内存的内容是未定义的。用户需要自己初始化这块内存。

free() 函数

free() 函数用于释放之前通过 malloc() 分配的内存。它的原型同样在 <stdlib.h> 中定义：

c
void free(void* ptr);

这里的 void* ptr 是指向之前通过 malloc() 分配的内存块的指针。free() 释放这块内存，使其可用于未来的分配。使用 free() 释放内存后，原指针变为悬挂指针，再次访问该指针将会是危险的。通常情况下，释放内存后将指针设置为 NULL 是一个好习惯。

示例

下面是一个使用 malloc() 和 free() 的例子：

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

int main() {
    int n = 5;
    // 分配内存以存储 5 个整数
    int* arr = (int*) malloc(n * sizeof(int));

    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 初始化数组
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i;
    }

    // 输出数组
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);
    arr = NULL; // 避免悬挂指针

    return 0;
}

在这个例子中，我首先用 malloc() 分配了足够的内存来存储 5 个整数。然后，我通过遍历数组来初始化这些整数，接着输出他们。最后，我使用 free() 释放了这块内存，并将指针设置为 NULL 以避免悬挂指针的问题。

通过这种方式，malloc() 和 free() 可以帮助管理 C 程序中的动态内存，使得内存使用更加灵活高效。