详解C语言—动态内存分配(一)

目录

为什么存在动态内存分配

动态内存函数的介绍

malloc

free

calloc

realloc

常见的动态内存错误

1. 对NULL指针的解引用操作

2.对动态开辟空间的越界访问

3.对非动态开辟内存使用free释放

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

5.对同一块动态内存多次释放

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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为什么存在动态内存分配

常见的内存开辟方式：

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

 上述开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小固定
• 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。

这种常规开辟空间的方式不够灵活，不能开辟指定大小的空间、调整已开辟空间的大小。

这时候动态内存分配派上用场了

动态内存函数的介绍

• malloc

动态内存开辟的函数malloc：void* malloc (size_t size); 声明在 stdlib.h 头文件中。

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，使用 `malloc` 函数来分配所需的内存空间。`malloc` 接受一个参数，即你想要分配的字节数。它返回一个指向分配的内存块的指针。    记得要将返回的指针转换为你需要的数据类型。

int* p = (int*)malloc(40);

• 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。 
• 如果开辟开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。

首先来介绍一下内存的分区：

内存中分为栈区、堆区和静态区

• 栈区用于局部变量
• 堆区用于动态内存开辟和形式参数
• 静态区用于全局变量、静态变量

 下面来看这个例子：

int main()
{
	//int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(40);

	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//开辟成功
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

 成功开辟40个字节空间并访问10字节空间 ： 

• 这段代码使用malloc函数在内存中堆区开辟40个字节空间，将开辟空间的首地址存放到栈区的p中，p指向开辟空间的首地址就可以访问这块空间了。

• malloc申请到空间后，直接返回这块空间的起始地址，不会初始化空间的内容。

• 当使用 malloc 动态分配内存时，如果分配失败（通常因为内存不足），malloc 会返回一个空指针（NULL），if (p == NULL)判断是否为空，为空则使用perror函数打印错误信息。

• 如果你还不知道什么是perror函数，你可以看看我的这篇文章perror函数。
• malloc申请的空间，当程序退出时，还给操作系统，当程序不退出，动态申请的内存，不会主动释放。这时需要使用free函数释放。

• free

    free 函数用来释放动态开辟的内存。声明在 stdlib.h 头文件中。

• 如果参数 p 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 p 是NULL指针，则函数什么事都不做。
• 使用free释放之后，参数 p 会变成野指针，我们可以将他变成空指针，赋值NULL。

• calloc

calloc 函数也用来动态内存分配：void* calloc (size_t num, size_t size);

• calloc声明在 stdlib.h 头文件中。
• 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。

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

输出结果： 

• 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。

void* realloc ( void* ptr , size_t size )， realloc 声明在 stdlib.h 头文件中。

• 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。

int main()
{
    int* p=(int*)malloc(40);
    if(p == NULL)
    {
        perror("malloc")；
        return 1;
    }

    for(int i=0;i<10;i++)
        p[i] = i + 1;

    p = realloc(p,80);
    return 0;
}

 

后面有足够空间，直接在后面增加空间，返回旧空间 p 的起始地址 ，原来空间的数据不发生变化。

• 开辟新空间开辟所需字节
• 会将旧的空间的数据拷贝到新的空间
• 释放旧空间
• 返回新空间的起始地址

情况3：开辟失败返回空指针

如果开辟失败realloc返回空指针， p = realloc(p,80);这样赋值直接导致 p 原有的数据丢失，我们可以再创建一个变量接收realloc的返回值。同时加上if语句判断是否开辟失败返回值为空指针。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//初始化为1~10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) 
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	//增加一些空间
	int* ptr = (int*)realloc(p, 8000);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d\n", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

我们调试看一下ptr和p地址：当 ptr 接收 realloc 的开辟空间时，此时地址如下

 

当运行到 p = ptr 时，p 的空间不足时，realloc为p开辟空间，p的地址与ptr相同。

常见的动态内存错误

1. 对NULL指针的解引用操作

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

如果p的值是NULL，就会有问题，所以一定要对p进行判断是否为空指针。

if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

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<20; i++)
    {
        *(p+i) = i;//当i大于10的时候越界访问
    }
    free(p);
    p = NULL;
}

一共分配10个整型空间，却想访问20个整型数据，会造成越界访问。 

3.对非动态开辟内存使用free释放

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

4.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)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

指针未指向起始位置。 

5.对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用

	free(p);
	free(p);
	return 0;
}

  p = NULL;释放内存之后养成良好习惯，将p赋值为空指针 

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);

	return 0;
}

p是函数的局部变量，出了函数就销毁了，但malloc申请的空间还在，而且无法释放。

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁（还给操作系统）。

销毁只有两种方式：

1. free释放
2. 程序结束(退出)

小结：

 学习之路道阻且长，希望大家坚持复习，坚持敲代码，未来的你们一定会收到心仪的offer！！！

 让我们进入下一部分的学习：详解C语言—动态内存分配(二)