C语言——动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

1、int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节

2、char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。

• 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2. malloc和free

2.1 malloc

C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

• 如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。

• 如果开辟失败，则返回⼀个 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。

• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使⽤的时候使用者自己来决定。

• 如果参数 size 为0，malloc的⾏为是标准是未定义的，取决于编译器。

2.2 free

C语言提供了另外⼀个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。

• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

举个例子：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0；
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

因为p被释放掉了，所以p指向的空间没有了意义，但是那块空间的内容还在，所以p还是有能力找到这块空间，为了避免这块空间被错误的使用，我们将p=NULL，赋成空指针，这样就p指针就真正的断开了与这块空间的联系。

3.malloc函数和free的配合使用

注意：malloc 和 free函数都要引用 <stdlib.h>的头文件

cpp 复制代码

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

int main()
{
	// int arr[10] = { 0 };
	int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//开辟一个10个int类型数据的连续空间
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d  ", p[i]);
		}
	}
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

4.realloc函数的介绍

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

• 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们⼀定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

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

• ptr 是要调整的内存地址

• size 调整之后新大小

• 返回值为调整之后的内存起始位置。

• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间

◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意⼀些。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//扩展容量

	//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)

	//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

5.calloc函数的使用

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函数的功能是为num个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。

• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。

举个例子：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

输出结果：

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很⽅便的使用calloc函数来完成任务。

6.常见的动态内存的错误

6.1 对NULL指针的解引用操作

cpp 复制代码

void test()
 {
      int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
      *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
      free(p);
 }

6.2 对动态开辟空间的越界访问

cpp 复制代码

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

6.3 对非动态开辟内存使用free释放

cpp 复制代码

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//ok?
}

6.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

cpp 复制代码

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

6.5 对同⼀块动态内存多次释放

cpp 复制代码

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放
}

6.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

cpp 复制代码

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。