【C】动态内存管理详解

C/C++内存开辟区域

C/C++程序内存分配的几个区域：

1.栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
2.堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
3.数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
4.代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

为什么存在动态内存分配？

我们平常创建的变量和数组都是在栈上创建的，但是他们开辟的空间有2个特点：

空间开辟大小是固定的。
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。

动态内存函数的介绍（在头文件stdlib.h中）

malloc

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。

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。

代码演示：

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL) //这里的判断是很有必要的
	{
		return;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = 0 + i;
	}
	free(p);
	p = NULL; //防止出现野指针
	return 0;
}

calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

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在开辟空间的时候会将每个字节都初始化为0，而malloc只是申请空间并不会初始化。我们来举个例子：

#include 
#include 
int main()
{
	int* pa = (int*)malloc(40);
	if (pa == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", pa[i]);
	}
	free(pa);
	pa = NULL;
	int* pb = (int*)calloc(10, 4);
	if (pb == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", pb[i]);
	}
	free(pb);
	pb = NULL;
	return 0;
}

我们来看一下运行结果：

可以看到malloc开辟空间是不初始化的，而calloc开辟空间是初始化位为0的。

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：

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

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。
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。

针对上面的两种情况我们在使用realloc是就要注意一点了，不能直接将realloc扩增的起始地址付给原本的空间，万一开辟失败原本的空间就变得无法控制，导致内存泄漏。例如：

#include 
#include 

int main()
{
	//开辟空间
	int* pa = (int*)malloc(40);
	//判断有效性
	if (pa == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	//使用
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		pa[i] = i;
	}
	//扩容
	int* ptr = (int*)realloc(pa, 60);
	//判断是否开辟成功
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		free(pa);
		pa = NULL;
		return;
	}
	//成功将起始地址给pa
	pa = ptr;
	//使用
	for (int i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", pa[i]);
	}
	//使用完后释放空间
	free(pa);
	pa == NULL;
	return 0;
}

总而言之，我们在开辟内存后一定要判断有效性，否则会出现对空指针的解引用，导致程序崩溃。

常见的动态内存的错误

对NULL解引用操作

例如：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;
	free(p);
}

如果p是NULL就会出现问题。

对动态开辟的空间进行越界访问

例如：

void test()
{
	int* pa = (int*)malloc(40);
	//判断有效性
	if (pa == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	//使用
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		pa[i] = i;
	}
}

这里当 i = 10 时就会出现问题。

对非动态开辟的空间进行free释放

例如：

int main()
{
	int a = 0;
	int* pa = &a;
	free(pa);
	return 0;
}

这种写法也是错误的，free释放的是动态开辟来的空间。

使用free释放动态开辟内存的一部分

例如：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	p++;
	free(p);
}

此时p已经不再指向起始位置了。

对同一块动态内存进行多次释放

例如：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	free(p);
	free(p);
}

这里也是非常严重的错误。

动态开辟的内存忘记释放

例如：

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。
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

今天的分享就到这里，感谢大家的关注和支持。