05-C语言进阶——动态内存管理

一、为什么要动态内存分配？

前面用到的内存开辟方式为在栈上开辟空间，例如：

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

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在声明的时候，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。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了。 这时候就只能试试动态存开辟了。

二、动态内存函数函数介绍

2.1malloc

malloc用来开辟动态内存

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。

2.2 free

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：

//申请5个整形字节的动态内存
int *p = (int *)malloc(5*sizeof(int));
//若返回值为空，则申请失败
if (NULL == p)
{
	printf("malloc error!\n");
	return 1;
}
//若申请成功，为每个元素赋值
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
	p[i] = i;
}
printf("malloc success!\n");

//打印释放前p的地址
printf("before:%p\n",p);

//释放动态开辟的内存
free(p);

//打印释放后p的地址
printf("after:%p\n", p);

这里需要注意的几个点

• 如上图所示，free前后指向的地址不发生任何变化，改变的只是指针和对应的内存的管理关系。一般再添加一句代码令指针为NULL。

p = NULL;

• 如下图所示释放后的地址空间明显大于申请时的空间，原因是申请时指针包含有其它元信息。可以发现使用malloc申请小块空间的成本较大，因此不推荐申请小块内存。
  
  

2.3 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：

int *p = (int *)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL != p)
{
	printf("success!\n");
}

free(p);
p = NULL;

2.4 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，为了合理使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。 函数原型：

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

• 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：
  • 情况1：原有空间之后有足够大的空间。当情况1 的时候，要扩展内存就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。
  • 情况2 ：原有空间之后没有足够多的空间。扩展方法：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：

	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);//如果申请失败造成内存泄漏

	//代码2
	int*p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);

代码1的问题在于，如果realloc申请失败返回NULL指针，老空间ptr被置空，造成内存泄漏无法找到原有的内存地址。

三、常见动态内存错误

3.1 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);
}

如果申请的空间较大可能造成malloc返回值为NULL

3.2 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);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

3.4 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
}
 

3.5 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
}

3.6 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);
}