C语言之动态内存管理（动态内存函数）

• 我们开辟空间的时候，空间的大小是固定的。
• 在数组申明的函数，必须要指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配的。
• 但是如果想要开辟不固定大小的空间，该怎么办？
• 解决方式就是动态进行内存的分配，即在堆上开辟空间。
• 本篇博客将介绍如何动态开辟空间。

一、动态内存函数

• C语言中与动态内存管理相关的函数，主要有四个malloc、free、calloc和realloc。

1.malloc

• void* malloc(size_t size);
• 该函数是开辟一个大小为size字节大小的空间。
• 返回值：若开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要作检查。若开辟成功，则返回这块空间的指针，因为该指针为void*类型，所以具体使用时可以进行强转。

2.free

• void free(void* ptr);
• 该函数是用来释放ptr指针指向的一块空间的。
• 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，则free函数的行为是未定义的。
• 若果参数ptr是NULL指针，则该函数什么都不做。
• 一般用了malloc申请空间，在使用之后一定要释放该空间，不然会造成资源泄露。

#include 
#include //malloc和free函数在该头文件里


int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		for (int i = 0; i < num; ++i)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
	}

	free(ptr);
	ptr = NULL;//防止其成为野指针

	system("pause");
	return 0;
}

• 最后一定要ptr设为NULL，不然会变成野指针。

3.calloc

• void* calloc (size_t num, size_t size);
• 该函数功能是为num个大小为size的元素开辟一块空间，并且开辟完之后该空间的每个字节都会初始化为0。
• 其实该函数就是malloc加上初始化。
• 返回值：若开辟失败，则返回一个NULL指针。若开辟成功，则返回这块空间的指针，因为该指针为void*类型，所以具体使用时可以进行强转。
• 其开辟完空间，在这个空间使用完之后也一定要调用free函数将其释放掉。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include 
#include //calloc和free函数在该头文件里


int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	//int* ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	int* ptr = (int*)calloc(num, sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		printf("使用之前，会自动初始化：\n");
		for (int i = 0; i < num; ++i)
		{
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
		printf("使用之后：\n");
		for (int i = 0; i < num; ++i)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
	}

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	system("pause");
	return 0;
}

• 不难发现，该函数作用和malloc一样，只不过比malloc多了一个初始化。

4.realloc

• void* realloc (void* ptr, size_t size);
• 该函数是当我们发现过去申请的空间太小了、或者太大了的时候，可以用该函数对动态开辟内存大小调整。
• ptr是要调整的空间的指针。
• size是调制之后的新大小。
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 该函数在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到新的空间中。
• realloc在调整内存空间时会出现两种情况：①原有空间之后本身就有足够大的空间，此时只需要在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。 ②原有空间之后没有足够大的空间，此时要在堆上重新找一个适合大小的连续空间进行使用，此情况下函数返回的是一个新的内存地址。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include 
#include //ralloc和free函数在该头文件里


int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		for (int i = 0; i < 5; ++i)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
	}

	//用realloc扩容
	int* ptr2 = NULL;
	ptr2 = (int*)realloc(ptr, 6 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr2)
	{
		ptr = ptr2;
	}
	//之前的数据都在
	*(ptr + 5) = 5;
	for (int i = 0; i < 6; ++i)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	printf("\n");

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	system("pause");
	return 0;
}

二、常见的动态内存错误

• 对NULL指针的解引用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include 
#include 


int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(2 * sizeof(int));
	*ptr = 20;//不判断
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	system("pause");
	return 0;
}

此时没有对ptr进行判断，则申请失败时ptr值为NULL，那么就会有问题。

• 对动态开辟空间越界访问

#include 
#include //malloc和free函数在该头文件里


int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		for (int i = 0; i < 6; ++i)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	system("pause");
	return 0;
}

上面 *(ptr + 5) 就是越界访问了。

• 对不是动态开辟的内存使用了free函数进行释放

#include 
#include 


int main()
{
	int i = 20;
	int* ptr = ⅈ
	free(ptr);//
    ptr = NULL;
	system("pause");
	return 0;
}

此时程序会崩。

• 对同一块动态内存多次释放

#include 
#include 


int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		for (int i = 0; i < 6; ++i)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", *(ptr + i));
		}
		printf("\n");
	}
	free(ptr);
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	system("pause");
	return 0;
}

此时程序会崩。

• 使用free函数释放一块动态开辟内存的一部分

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include 
#include //malloc和free函数在该头文件里


int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	
	++ptr;//ptr不再指向该动态内存的起始位置了。
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	system("pause");
	return 0;
}

程序依旧会崩。

• 当我们动态开辟内存空间时，使用完之后忘记使用free函数释放之后就会造成内存泄漏。

三、C语言内存开辟

• C语言中程序的内存区域划分
  

• 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。

• 堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。分配方式类似于链表。

• 数据段（静态区）（static）：存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。

• 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。