C语言动态内存管理：malloc、realloc、calloc以及free函数

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是这种开辟空间的方式有两个特点：
1. 空间开辟的大小是固定的。
2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
但是我们在实际的需求中，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，那数组编译时开辟空间的方式就不能满足我们的需求了。
这时候我们就需要动态存开辟了。

动态内存函数介绍

1、malloc和free：C语言提供的一个动态内存开辟的函数

#include
void* malloc (size_t size);

1、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。
2、如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
3、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。
4、 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。
5、如果参数为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

free是C语言提供的一个专门用来释放和回收我们申请的动态内存的。

#include
void free (void *ptr);

1、 free函数用来释放动态开辟的内存。
2、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。
3、如果参数是NULL指针，则函数什么事都不做。

#include
#include

int main()
{
    //代码1
    int num = 0; 
    scanf("%d", &num);
    int arr[num] = {0};
    //代码2
    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; i0；
        }
    }
    free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
    ptr = NULL;//是否有必要？
    return 0;
}

free函数的作用是通过指针ptr把ptr所指向的内存空间释放掉，并没有把ptr指针释放掉，所谓释放掉就是将这块内存中的对象销毁，并把这块内存交还给系统留作他用。指针ptr中的值仍是那块内存的首地址，倘若此时这块内存又被指派用于存储其他的值，那么对ptr进行解引用就可以访问这个当前值，但如果这块内存的状态是不确定的，也许是受保护的，也许不保存任何对象，这时如果对ptr解引用则可能出现运行时错误，并且这个错误检测起来非常困难。所以为了安全起见，在free一个指针后，将这个指针设置为NULL或零指针常量。

2、calloc:也是C语言提供的用于动态内存开辟的函数，但是与刚刚讲过的malloc有一点区别。

#include
void *calloc(size_t num,size_t size);

1、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。
2、与malloc函数的区别只在于会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0。

#include
#include
int main()
{
    //使用calloc函数为10个大小为4个字节的元素开辟空间
    int *p = calloc(10, sizeof(int)); 
    if(NULL != p)
    {
        //开辟成功
        //使用空间
    }
    //使用完毕释放
    free(p); 
    p = NULL;
    return 0;
}

所以这个函数在我们需要对我们所开辟的空间进行相应的初始化时给我们带来了非常大方便。只要调用这个函数，既开辟了我们想要的空间，也同时帮助我们完成了初始化的任务。
3、realloc:是c语言提供的另外一个用于动态内存开辟的函数，我想，其主要功能是帮我们解决malloc函数所带来的不足，因为一旦我们使用malloc函数，使用完毕以后，所开辟的空间就已经确定下来，当然了，这一定是满足我们当下的需求的，但是我们的需求很有可能会改变，即我们所需要的空间会改变，此时有了realloc函数就会让我们的动态内存管理更加灵活。

1、 realloc函数的出现让动态内存管理理更更加灵活。
2、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，那为了得到合理的内存，我们一定会希望能够对内存的大小做灵活的调整。那 realloc函数就可以做到帮助我们对动态开辟内存大小的调整。 函数原型如下：

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

1、ptr 是要调整的内存地址
2、size 调整之后新⼤大⼩小 返回值为调整之后的内存起始位置。
3、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
4、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，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不不发生变 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。

#include
#include
int main()
{
    int *ptr = malloc(100);
    if(ptr != NULL)
    {
        //业务处理
    }
    else
    {
        //内存开辟失败
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //现在我们需要更大的内存空间，接下来用realloc函数扩展容量

    //代码1
    ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
    //代码1：如果申请失败返回一个空指针，而我们并不知道返回的是空指针
    //（因为没有对ptr进行判断）,那我们在之后的代码中
    //可能要继续对ptr所指向的内存进行访问（即操作空指针）
    //此时就会出现错误（后面说明）

    //代码2
    int*p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if(p != NULL)
    {
        //说明此时内存调整成功
        ptr = p;
    }
    //业务处理
    free(ptr);
    //释放内存
    ptr = NULL;
    return 0;
}

常见的动态内存错误
1、对空指针的解引用操作

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);
}

后果：导致非法访问内存地址

2、对动态开辟空间的越界访问

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);
}

后果：malloc为我们开辟号空间以后，会自己 管理一个链表用来维护堆中的内存，由于malloc通过链表来维护，就必不可少的会利用空间来存放next指针域，这个next指针域就紧紧的挨在malloc分配的内存的后面。所以，如果越界访问malloc分配的内存空间，就会破坏next域，从而破坏了链表结构，因此下一次再调用malloc分配内存时就会失败。

3、对非动态开辟的内存使用free释放

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

后果：非法操作，程序中断。

4、使用free释放动态开辟的内存的其中一部分

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

后果：编译报错

5、多次使用free释放同一块动态开辟的内存

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

后果：重复 free() 在默认情况下都会导致 C 函数库调用 abort() 终止程序。

6、忘记释放动态开辟的内存

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

后果：造成内存泄漏。

切记：动态开辟的内存使用完毕以后一定要释放，并且正确释放。