C语言——动态内存

一、变量生存周期与内存分区

（一）变量的分类

1.全局变量

定义在函数外部，程序运行开始分配空间，整个程序结束才销毁释放。

默认初始化：系统自动初始化为 0，使用 00 进行字节填充。

2.局部变量

定义在函数内部，进入函数开辟空间，函数执行结束自动销毁。

默认初始化：无默认值，使用 cc 进行字节填充（debug 模式下的填充标记，代表未初始化）。

3.块域变量

定义在**{}代码块内部**，进入代码块开辟空间，花括号执行结束立即销毁。

默认初始化：无默认值，使用 cc 进行字节填充（debug 模式下的填充标记，代表未初始化）。

（二）内存两大区域核心区别

内存区域	管理方式	特点	优缺点
栈区	系统自动申请、自动释放	存放全局、局部、块变量，大小固定	安全、无需手动管理，灵活性极低
堆区	程序员手动申请、手动释放	动态开辟空间，支持自由扩容	灵活可控，用完必须手动释放，易出现内存泄漏
堆区空间一般往往大于栈区；也就是说，程序员自己可以操作的空间远远大于计算机所能操作的空间

为什么要发明动态内存？

问题一：计算机对所有变量的生存周期特别严格，我们很容易访问到没有权限的内存，进而造成非法访问内存，导致程序崩溃。

问题二：计算机栈区空间时固定的，无法扩容，但现实场景中，我们经常需要动态扩容空间。

动态内存则可以解决以上问题。它可以实现 1.自由掌控生存周期 ；2.空间可以自由扩容。

二、动态内存四大核心函数

（一）malloc函数

cpp 复制代码

void* malloc(size_t size);

功能：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。
返回值 ：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。

注意：返回值一定要做判空检查，避免空指针解引用导致程序崩溃。

返回值类型 ：void*

注意：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。

（二）free函数

cpp 复制代码

void free(void* ptr);

功能：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。

注意：free只能释放由程序员通过 malloc/calloc/realloc 手动申请的堆区内存 ，且传入参数必须是该段空间最起始的首字节地址，传入栈地址、偏移地址、非法地址都会触发程序报错。

cpp 复制代码

int main() {
    int a;
    // 计算机自动申请4个字节
    // 地址范围：0X11111111 ~ 0X11111114
    // 内容：cc cc cc cc
    // 生存周期：创建 ~ 主函数结束

    void* p = malloc(4);
    // 程序员手动申请4个字节
    // 地址范围：0X12345678 ~ 0X1234567B
    // 内容：cd cd cd cd
    // 生存周期：malloc创建 ~ free释放
    // 返回第一个字节地址 → 相当于这片空间的"钥匙"

    free(p);
    // 程序员手动释放4字节
    // 结束这片内存的生存周期
    // 归还权限给操作系统
    
    return 0;
}

（三）realloc函数

cpp 复制代码

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

功能：修改已开辟堆内存大小，实现扩容、缩容

两种扩容机制：

（1）原空间后方剩余内存充足：直接原地扩容，返回源地址

（2）原空间无连续空余：开辟新空间、拷贝旧数据、释放旧内存，返回新地址

返回值 ：申请成功 返回指向堆空间首字节的指针，申请失败则返回 NULL

注意：

（1）必须用临时指针接收返回值，避免扩容失败丢失原地址

（2）返回值一定要做判空检查

（四）calloc函数

cpp 复制代码

void* calloc(size_t num, size_t size);

功能：申请 num 个大小为 size 的连续空间

特点：自动全部初始化为0

返回值 ：申请成功 返回指向堆空间首字节的指针，申请失败则返回 NULL

注意：返回值一定要做判空检查

三、堆区内存泄漏问题

（一）本质

堆内存释放必须依托空间首个字节地址，一旦该地址丢失，对应内存就无法正常释放，形成内存泄漏。

（二）泄漏现象

失效内存既无法被程序调用，操作系统也不能回收，其他程序同样无法占用，内存资源被无效占用。

（三）地址管理规则

堆空间的使用于释放权限，由首字节地址决定，需依靠栈区指针变量留存地址，才能正常管控堆内存。

（四）两类泄漏成因

1.指针地址被修改

保存堆首地址的指针被重新赋值指向其他空间，原始地址永久丢失，内存无法释放。

2.指针生命周期结束

存储地址的栈区指针，因作用域结束被销毁，未执行释放操作，堆内存地址随之丢失。

四、动态内存常见错误

（一）动态内存申请后不判断返回值是否为空

cpp 复制代码

void test() {
    int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
    // 必须判空
    if (p == NULL) {
        printf("申请内存失败\n");
        return;
    }
    *p = 20;
    free(p);
    p = NULL;
}

（二）堆区内存非法越界访问

cpp 复制代码

void test() {
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL) exit(EXIT_FAILURE);
    // 错误：i <= 10 越界
    // 正确：i < 10
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;
}

（三）对栈区内存使用free

cpp 复制代码

void test() {
    int a = 10;
    int* p = &a;  // a 在栈区
    free(p);      // 错误！不能 free 栈内存
}

（四）不使用首地址释放堆内存

cpp 复制代码

void test() {
    int* p = (int*)malloc(100);
    p++;        // 指针偏移，丢失首地址
    free(p);    // 错误！不是首地址
}

（五）重复释放同一块堆内存

cpp 复制代码

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

（六）只申请内存不释放，造成内存泄漏

cpp 复制代码

void test() {
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p != NULL) {
        *p = 20;
    }
    // 缺少 free(p)
}
int main() {
    while (1) {  // 长期运行
        test();  // 只申请不释放 → 内存泄漏
    }
}