浅谈C语言动态内存管理

一、为什么存在动态内存分配

我们知道一般的内存开辟方式有：

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

上述的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. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存会在编译时分配。

但当我们实际在写程序的时候，尤其是对空间的需求，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，如果使用数组的方式开辟空间，有时候可能会出现开辟的空间过小或者过大的问题，因此这种开辟固定内存的方式就不能满足了。这时候我们就应该使用动态内存开辟空间了。

二、动态内存函数的介绍

1.malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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。

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好的空间起始地址的指针。
• 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。
• 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。
• 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。

2.free

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。 举个例子：

#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; i

代码二使用malloc函数动态开辟了对应大小的内存，如果开辟成功，则返回对应空间的起始地址，否则返回NULL值，因此必须判断ptr是否为空。而最后使用完毕之后用free释放掉所开辟的动态内存，这时虽然内存被释放掉了，但是ptr依旧指向原来的位置，只是ptr没有对这个空间的使用权限了，因此ptr就成为了一个野指针，所以建议大家对这个指针置为空。

3.calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 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。
• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。 举个例子：

#include 
#include 
int main()
{
	int *p = calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p){
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

4.realloc

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 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，为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。而 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。 函数原型如下：

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

• ptr 是需要调整的内存地址。
• size 为调整之后的新大小。
• 返回值为调整之后内存的起始位置。
• 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。
• 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，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
  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。 举个例子：

#include 
int main()
{
	int *ptr = malloc(100);
	if (ptr != NULL){
		//业务处理
	}
	else{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//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2
	int*p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL){
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

上述代码使用realloc函数扩展原动态内存空间的容量，代码1直接将扩展后返回的新地址赋给老的地址，这个思想本身没有什么问题，但这么做却并不可取，因为如果遇到了上述情况2，后续的空间不够直接扩展，就会申请失败！因此建议使用代码2的方式进行对应的空间扩展。

三、常见的动态内存错误

• 对NULL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);
}

• 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);
}

• 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//没有必要
}

• 使用free释放一块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
}

• 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
}

• 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。所以切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

以上列举的一些动态内存的常见错误虽然看起开十分简单，但却是作为初学者的我们十分容易犯的错误，我们在学习的过程中必须注重这种小的错误，不断积累，才可能达到更高的境界。