【C语言进阶】动态内存管理

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一、动态内存分配的由来

我们已经张伟的内存开辟方式有：

int a = 3;//在内存空间开辟4个字节
char a[10] = {0};//在内存开辟10个字节且连续的空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟大小是固定的
2. 数组再声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。因为有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才知道，那么以上的方式就不能满足了。而动态内存分配恰好能在需要时随时开辟，不需要的时候随时释放，且分配的大小就是程序要求的大小。

二、动态内存函数的介绍

2.1 malloc函数

解读：
malloc函数会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的空间的指针
• 如果开辟失败，则返回一个NULL指针（空指针），因此malloc函数的返回值一定要做检查
  *返回值是void*，表示的是无具体类型的指针，这说明malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体是在使用的时候让使用者来决定
• 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决用编译器

【malloc函数实例】

strerror讲解传送门 -> 点击此处

#include 
#include  //malloc函数所需头文件
#include   //errno所需头文件
#include //strerror所需头文件

int main()
{
	//假设向内存申请40个字节,用来存放整型
	int* p = (int*)malloc(40);
	//判断返回值是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		//说明开辟内存空间失败了，那就显示为什么失败了
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//否则返回值就不为空指针
	//假设存放数据1~10
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 1 + i;
	}
	//打印
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

2.2 free函数

在malloc函数实例中，代码会存在隐患。malloc函数既然在内存中申请了空间，用完了就应该还给操作系统。所以C语言提供了另外一个函数free，专门用做动态内存的释放和回收的。

解读：

• free函数是用来释放内存块
• free函数无返回值
• 参数ptr是指向先前使用 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存块的指针。
• 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那么free函数的行为就是未定义的
• 如果参数ptr是NULL指针，则函数不会做任何事。

【free函数实例（完善malloc函数实例）】

#include 
#include  //malloc函数所需头文件
#include   //errno所需头文件
#include //strerror所需头文件

int main()
{
	//假设向内存申请40个字节,用来存放整型
	int* p = (int*)malloc(40);
	//判断返回值是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		//说明开辟内存空间失败了，那就显示为什么失败了
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//否则返回值就不为空指针
	//假设存放数据1~10
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 1 + i;
	}
	//打印
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放申请的内存
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

释放完空间后，p = NULL的原因：
我们可以通过F10调试来观察
释放前：我们将数据1~10存放到内存了

释放后：我们发现，p在释放后还指向释放前的空间

所以，为了防止日后非法访问，我们就将p=NULL

2.3 calloc函数

C语言还提供一个函数calloc，calloc函数也用来动态内存分配

解读：

• 参数num是开辟元素的个数
• 参数size是每个元素的大小
• calloc与malloc区别在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0

【calloc函数实例】

calloc会将申请的空间全部初始化为0

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	//向内存申请10个元素，每个元素都是int类型
	int* p = calloc(10, sizeof(int));
	//判断p是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//否则不是空指针
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//用完释放空间free
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

2.4 realloc函数

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
• 有时候会发现过去申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间过大，那为了合理的使用内存，就要对内存的大小做灵活的调整。使用realloc函数就的功能就是调整动态开辟内存大小

解读：

• 参数ptr是要调整的内存地址
• 参数size为调整之后的新大小
• 返回值为调整之后的内存的起始地址
• 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带新的空间

realloc函数在调整内存空间的时候存在两种情况：

1. 当原有空间之后有足够大的空间，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化，返回的是原来的地址
2. 当原有空间之后没有足够大的空间，扩展的方法：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内存的地址

【realloc函数实例】

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	//假设向内存申请20个字节来存放5个整型
	int* p = (int*)malloc(20);
	//判断p是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//否则p就不是空指针
	//接下来就将5个整型全部赋值成1
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	//那么接下来假设我还要再开辟5个空间(realloc)
	int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
	if (ptr != NULL)//说明扩容成功
	{
		p = ptr;
	}
	//打印10个整型
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间（free）
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	*p = 20;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

• 若p = NULL，对于空指针解引用可能会导致程序异常终止或拒绝服务。

3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include 
#include 

int main()
{
	//向内存申请10个整型的空间
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

• 当指针指向的范围超过数组的范围时，p就是野指针，而野指针是没有访问权限的地址，会造成非法访问

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

#include 
#include 

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

• 这个就是free函数的概念，free的参数指向的空间一定是动态开辟的，比如：malloc、realloc和calloc。而这里的p指向的是一个变量的地址

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	p++;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

• 要知道不管是前置++还是后置++，它都是会有副作用的。p++后，p就会指向p++的位置，然后使用free释放只会释放p后面的内存空间，只释放了一部分
  

3.5 对同一块动态内存多次释放

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	free(p);
	return 0;
}

• 对一次free回收了p申请的内存空间，此时的p就是野指针，而野指针是没有访问地址的权限，若再一次使用free来回收内存空间，可能会造成非法访问

3.6 动态开辟内存忘记释放

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	*p = 20;
	return 0;
}

• 使用完内存空间后，并没有释放（free）内存空间，会导致内存泄漏