【C语言进阶：动态内存管理】动态内存函数的介绍

本节重点内容：

• malloc 和 free 函数
• calloc 函数
• realloc 函数

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为什么存在动态内存分配

到目前为止，我们已经掌握的内存开辟方式有两种：

• 创建变量：

int val = 20;        //在栈空间上开辟四个字节

• 创建数组：

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，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

这两种内存开辟的方法创建的空间大小是固定的，不能发生变化，因此就存在一定的局限性。C语言为了让我们更加灵活容易的控制我们所需的内存空间的大小，提供了动态内存管理的功能，也相应地提供了一些动态内存管理的函数。那这篇博客将带着大家来认识这些函数。

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⚡malloc 和 free 函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

 这个函数向内存申请一块连续可用的空间（字节），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空间的指针。
• 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。

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：

 free函数用来释放动态开辟的内存，参数是开辟内存的起始位置。

• 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。

malloc 和 free 函数的基本使用：

申请20个字节的内存空间来存放整形

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(20);   // 由于要存储的为整形，使用int* 的指针来管理比较方便
                                 // malloc的返回值为void*，想要将其赋给int* 的指针，必须进行强 
                                 // 制类型转化
    // malloc 函数也是有可能开辟空间失败的，一般都会对malloc函数的返回值进行判断
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }

    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //需要对主动申请的空间需要进行主动释放
    free(p);
    //虽然已经释放了p指向的内存，但p还是指向地址没有发生变化，为了避免野指针，应该将p置空
    p = NULL;  
}

运行结果如下：

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⚡calloc 函数

malloc函数在初始化时会将每个字节赋一个随机值：

因此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：

• 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。

calloc 函数的基本使用：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include

int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));   // 开辟10个整形的空间
    if (p == NULL)
    {
        printf("calloc() --> %s\n", strerror(errno));
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

运行结果如下：

 

 calloc 和 malloc 函数的对比：

1. 参数不同。
2. 都是在堆区上申请内存空间，但是 malloc 不初始化，calloc 会初始化为0。如果需要初始化就用 calloc ，不需要就用 malloc 。
3. 由于 malloc 没有初始化，因此 malloc 效率会比 calloc 高，因此在使用时需要进行决策判断用哪种效果更好。

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⚡realloc 函数 

• 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，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。

• ptr 是要调整的内存地址。
• size 调整之后新大小。
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 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：

1. 情况1：原有空间之后有足够大的空间。
2. 情况2：原有空间之后没有足够大的空间。
    

在实际使用realloc函数时可能会出现以下两种情况：

情况一：realloc 返回的是旧地址，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。

在遇到情况二时需要注意一些点： 

1. 在空间不足时，realloc 会寻找更大的空间。
2. 将原来的数据拷贝到新的空间。
3. 释放旧的空间。
4. 返回新空间的地址。

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。

realloc 的基本使用：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(20);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
    }
    int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
        for (i = 5; i < 10; i++)
        {
            *(p + i) = i + 1;
        }
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            printf("%d ", *(p + i));
        }
    }
    else
    {
        printf("realloc --> %s\n", strerror(errno));
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

 运行结果如下：

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