C语言【动态内存管理 前篇】

1. 为什么存在动态内存管理

C语言中的数据结构通常是固定大小的。例如，一旦程序完成编译，数组元素的数量就是固定的。
说到这里，有人就要说：变长数组呢？在C99中，变长数组的长度在运行时确定，但在数组的生命周期内仍然是固定的，因为在编写程序时强制选择了大小，所以固定大小的数据结构可能会有问题。也就是说，在不修改程序并且再次编译程序的情况下无法改变数据结构的大小

对于空间的需求,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。
这时候就只能试试动态存开辟了。

2. 动态内存函数

‍♂️（1）空指针

在调用内存分配函数时，总存在这样的可能性：找不到我们需要的足够大的内存块。那这样的话，函数就会返回空指针（NULL）

1. 空指针就是“不指向任何地方的指针”
2. 区别于所有有效指针的特殊值
3. 名为NULL的宏有定义的头文件：、、、、、（C99）
4. 数测试真假的方法：0为假，非0为真；指针测试真假的方法：空指针为假，非空为真

注意：
1. 程序员的任务是测试任意内存分配函数的返回值，并且要在返回值为空指针时采取适当措施
2. 通过空指针访问内存的行为是未定义的，程序可能会出现崩溃

‍♂️（2）malloc

在介绍具体的内存分配函数之前，先了解一下他们的功能：

• malloc：分配内存块，但是不对内存块进行初始化
• calloc：分配内存块，并且对内存块进行清零
• realloc：调整先前分配的内存块大小
• free ：释放内存块
• 所有函数的头文件都是

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

#include
#include
#include

int main()
{
	//申请10个整形类型
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//int* p=(int*)malloc(40);

	//判断是否申请空间成功
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}

	//使用   存放1-10
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}

	//打印
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放申请的空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

在这里解释一下：

• malloc函数申请空间：

1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针
2. 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

• void* :是通用型指针类型：

3. 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
4. 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

• free函数：

5. free函数是释放动态开辟的空间（堆区上的空间），否则是未定义的行为。如果参数是空指针，那么free函数什么事都不用做
6. malloc函数和free函数搭配使用

• 判断是否申请空间成功：

7. 程序员的任务是测试任意内存分配函数的返回值，并且要在返回值为空指针时采取适当措施
8. 通过空指针访问内存的行为是未定义的，程序可能会出现崩溃

• 一旦p指向动态分配的内存块，就可以忽略p是指针的事实，可以把它看成数组的名字。上面代码的使用和打印部分就是利用了这一特点

当然了，有人还有疑问：为什么一定要释放申请的内存空间？释放了空间之后，为什么要置为空指针？
在这里，我来单独解释：

1. 向堆区申请了空间，当然要还了 （还给操作系统）
2. free函数的作用是切断操作系统与该变量之间的联系
3. 所以，光是将空间还给操作系统是不行的，因为该变量还保留着起始位置的地址，需要我们手动置空
   
   有人又有疑问了：博主，你申请空间的时候，怎么写了两种方法？那种更推荐？
   其实，个人而言，我更推荐第一种，原因是：
   计算变量类型所需要的空间数量时，始终要使用sizeof运算符，如果不能分配足够的空间，将会产生严重的后果。比如，不同的机器上，int类型的大小就不一样，有的是2字节，有的是4字节…
   假如：你写的是第二种 p = (int*) malloc(38); 你所用的机器上int是4个字节，这种情况下，就会产生分配错误的结果。

‍♂️（3）calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

#include
#include

int main()
{
	int* p = calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
	{
		perror(p);
		return 1;
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

//运行结果：
******
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
*****

malloc 和 calloc

• 相同：

1. 堆区上申请空间
2. 返回起始地址
3. 由于是申请空间，不用的话，要释放内存并置空

• 不同：

1. malloc一个参数，calloc两个参数，相当于 40（总字节大小） = 10（变量个数） * 4（每个变量的大小）
2. malloc没有初始化，calloc会把空间初始化为0 - 故malloc比calloc的效率高

‍♂️（4）realloc

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

void* realloc (void*ptr, size_t size)

• ptr是要调整的内存地址
• size是调整之后的大小
• 返回值是调整之后的内存起始地址
• realloc在调整内存空间是存在两种情况：

1. 情况1：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追加空间，原来空间的数据不发生变化，并返回旧空间的起始地址
2. 情况2：原有空间之后没有足够的空间
   在堆空间上另外找一个大小合适的连续空间来使用，将原有数据拷贝到这个新空间上，释放掉就空间，并返回新空间的起始地址

#include
#include

int main()
{
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	//判断malloc函数是否开辟成功
	if (p == NULL)
	{
		perror(p);
		return 1;
	}

	int* ptr = realloc(p, 5 * sizeof(int));
	//判断realloc函数是否开辟成功
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}

	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

//运行结果：
*****
5个随机数
*****

看到这里，有人就有疑问了：realloc函数如果开辟失败，原有内存中的数据会怎么变化？为什么不是直接让p来接收realloc的结果？
解释：

• 如果realloc函数不能按照要求来进行扩展，那么就会返回NULL，原有数据都不会发生变化
• realloc的结果一定要让一个新指针来接收。因为：

1. realloc函数可能将内存块移动到堆区上的其他位置
2. 如果开辟失败返回NULL，那么以后进行的操作就会导致系统崩溃

此外，realloc函数还需要注意：

• 传给realloc函数的第一个指针必须来自于先前malloc、calloc 或 realloc的调用，如果不是这样的指针，程序导致崩溃
• realloc函数不会对添加进内存块的函数进行初始化
• 第一个参数如果是NULL，那么相当于调用malloc函数
• 第二个参数是0，将会释放掉该内存块

‍♂️（5）free

void free (void* ptr);

• free函数是专门来释放动态开辟的内存
• 如果参数ptr不是指向动态开辟来的空间，将会导致程序崩溃
• 如果参数ptr是NULL，函数将什么事都不会做

3. 常见的动态内存错误

‍♂️（1）对NULL指针的解引用操作

#include
#include

int main()
{

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

	return 0;
}

补充一下：
INT_MAX：2147483647

‍♂️（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);
}

申请空间的单位一般都是字节

‍♂️（3）对非动态开辟内存使用free释放

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

free函数是专门来释放动态开辟的内存空间的

‍♂️（4）使用free释放动态开辟内存的一部分

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

free函数的参数是要释放动态内存空间的起始地址

‍♂️（5）对同一块动态内存多次释放

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

对同一个空间释放两次了 - 因为p一直保留着起始位置的地址

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

这种不是对同一个空间释放空间两次 - 因为p已经置为空了，对空指针进行free操作是没有意义的

‍♂️（6）动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

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

动态开辟的空间一定要释放，并且要正确释放，否则会造成内存泄漏

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