【进阶C语言】动态内存管理

前言

作者简介：热爱跑步的恒川，致力于C/C++、Java、Python等多编程语言，热爱跑步，喜爱音乐的一位博主。
本文收录于C语言进阶系列，本专栏主要内容为数据的存储、指针的进阶、字符串和内存函数的介绍、自定义类型结构、动态内存管理、文件操作等，持续更新！
相关专栏Python，Java等正在发展，拭目以待！

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1. 为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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

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。
这时候就只能试试动态存开辟了。

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

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，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 
#include 
#include 

int main()
{
	//张三
	//申请
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

代码结果：

1，2，3，4，5

那我们试一试直接打印开辟的动态空间，看看里面的内容是什么？

int main()
{
	//张三
	//申请
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

代码结果：

-842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451

发现malloc开辟的动态空间打印的是随机值

2.2 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 main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("calloc()-->%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

代码结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

发现calloc开辟的动态空间打印的是0。
calloc和malloc的对比：

1. 参数都是不一样的
2. 都是在堆区上申请的内存空间，但是malloc不初始化，calloc会初始化为0
   如果要初始化，就使用calloc
   不需要初始化，就可以使用malloc

2.3 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，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。

函数原型如下：

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
  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：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	int* ptr = (int*)realloc(p, 400000);

	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		//使用
		for (i = 5; i < 10; i++)
		{
			p[i] = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", p[i]);
		}
	}
	
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

方案一：realloc函数返回的是旧地址

方案二：realloc函数返回的是新地址

1. realloc会找更大的空间
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

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	//可能会出现对NULL指针的解引用操作
	//所以malloc函数的返回值要判断的
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//可能会出现对NULL指针的解引用操作
	//所以malloc函数的返回值要判断的
	int i = 0;
	//越界访问
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

//对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };
	int* p = arr;
	//....
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}

	int i = 0;
	//[1] [2] [3] [4] [5] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p++;  //这种写法不可取，如果想要释放整个空间，必须将p放在起始位置上才可以
	}
	//释放 
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

*p = i + 1;
p++; //这种写法不可取，如果想要释放整个空间，必须将p放在起始位置上才可以，不然程序会崩溃掉

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）

//一直在吃内存，内存不释放
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。
切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
提示：
malloc，calloc，realloc，所申请的空间，如果不想使用，需要free释放
如果不使用free释放：程序结束之后，也会由操作系统回收！
如果不使用free释放，程序也不结束，内存就会泄露。
工作时：
自己申请的，尽量自己释放
自己不释放的，告诉别人来释放
这样就可以避免动态内存泄漏的问题

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