C语言 动态内存分配

 前言：之前学习了数组，数组的元素储存在内存中连续位置。在声明数组时必须要指定数组的元素个数，即数组空间大小在声明时已经确定了。但是需存放的元素个数常常在运行时才能知道（取决于输入的数据）。这会有几个缺点： 1. 当输入元素个数大于数组声明的元素个数时会带来意想不到错误 2. 当输入元素个数小于数组声明的元素个数时会带来内存空间的浪费 3. 数组大小不能动态调整。

C语言提供了相关的动态内存分配函数，需要多大内存空间就分配多大内存空间，并且可以动态调整已分配的内存空间大小

一、动态内存分配函数

使用下面相关动态内存函数需要引用头文件

1.1 malloc和free函数

malloc函数功能：
向内存申请指定大小的连续内存空间，申请成功返回该空间起始地址，申请失败返回NULL指针
库函数malloc声明
void* malloc (size_t size);
返回值：申请成功返回该空间起始地址，申请失败返回NULL指针，因为不知道申请的空间要存放什么类型数据所以返回void*类型
size: 申请分配的内存大小，单位为字节

注意：
1. malloc返回值有可能是NULL指针，使用前需要检查
2. malloc申请的空间并没有被初始化

free函数功能：
释放申请的动态内存分配的空间（即malloc、calloc、realloc函数申请的空间）

库函数free声明
void free (void* ptr);
ptr : 指向先前用malloc、calloc或realloc分配的内存块的指针

注意：
1.如果 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
2. 如果ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做
3. 只会释放ptr指向空间的值，但ptr本身不会被置空

#include 
#include 

int main()
{
	//申请10个int类型大小空间,10 * sizeof(int)相对于sizeof(40)更具有移植性
	//由于malloc返回值为void*类型，所以强制类型转换为int*类型
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL) //空间申请失败则退出
	{
		return -1; 
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) //打印这10个元素
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	printf("\n");
	for (i = 0; i < 10; i++) //对数组元素赋值
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++) //打印这10个元素
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	printf("\n");
	free(p); //释放p所指向动态内存分配的空间
	p = NULL;//将p置为NULL指针，防止访问一个已释放的空间
	return 0;
}

输出

-842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1.2 calloc函数

calloc函数功能：
calloc函数与malloc函数功能一样，区别主要在于calloc会对分配的空间初始化为0，另外它们请求内存大小的方式不同

库函数calloc声明
void* calloc (size_t num, size_t size);
返回值：申请成功返回该空间起始地址，申请失败返回NULL指针，因为不知道申请的空间要存放什么类型数据所以返回void*类型
num：元素个数
size: 元素大小
申请内存空间大小=num*size

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
	if (p == NULL) //空间申请失败则退出
	{
		return -1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) //打印这10个元素
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	printf("\n");
	for (i = 0; i < 10; i++) //对数组元素赋值
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++) //打印这10个元素
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	printf("\n");
	free(p); //释放p所指向动态内存分配的空间
	p = NULL;//将p置为NULL指针，防止访问一个已释放的空间
	return 0;
}

输出

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

使用malloc还是calloc函数取决是否要对动态内存分配的空间初始化

1.3 realloc函数

realloc函数功能：
realloc对动态内存空间大小进行扩大或缩小

库函数realloc声明
void* realloc (void* ptr, size_t size);
返回值：返回调整后空间的起始地址，调整失败返回NULL指针
ptr:指向先前用malloc、calloc或realloc分配的内存块的指针
size:动态内存空间新大小，单位为字节

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL) //空间申请失败则退出
	{
		return -1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) //对数组元素赋值
	{
		*(p + i) = i;
	}
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int)); //对动态内存大小进行调整
	if (ptr == NULL) //调整失败并不影响原本p指向空间
	{
		printf("空间调整失败\n");
	}
	else
	{
		p = ptr; //调整成功，p指向调整后空间起始地址
		ptr = NULL;
		for (i = 10; i < 20; i++) //对数组元素赋值
		{
			*(p + i) = i;
		}
		for (i = 0; i < 20; i++) //打印数组元素
	    {
		    printf("%d ", *(p + i));
	    }
	}
	
	free(p); //释放p所指向动态内存分配的空间
	p = NULL;//将p置为NULL指针，防止访问一个已释放的空间
	return 0;
}

输出

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

二、常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针进行解引用操作

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100000000000000000 * sizeof(int));
	*p = 10; //没有对p是否非NULL检查
	return 0;
}

申请动态内存分配失败，p为NULL指针，对p解引用修改存储的值会错误

2.2 动态内存分配空间的越界访问

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return -1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p+i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

当i=10,*(p+i)越界访问了

2.3 对非动态内存分配的空间free释放

#include 
#include 

int main()
{
	int i = 10;
	int* p = &i;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

p指向空间不是动态内存分配的空间

2.4 对动态内存分配的空间的一部分free释放

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return -1;
	}
	free(p+5);
	p = NULL;
	return 0;
}

p+5指向空间是动态内存分配的空间的一部分

2.5 对已经free的动态内存分配空间访问或再次free

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	free(p);
	*p = 10; //对已经free的动态内存分配空间访问
	free(p);//对动态内存分配空间多次free释放
	p = NULL;
	return 0;
}

2.6 内存泄漏

当申请的动态内存空间不需要时应该被释放，这样可以重新分配使用。申请的空间在使用完毕后不free释放将引起内存泄漏。内存泄漏将一点点榨干可用内存，最终导致系统崩溃

#include 
#include 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
}
int main()
{
	while(1)
	{
		test();
		//业务处理,满足条件则退出while循环
	}
	return 0;
}

当业务处理没有满足条件则while为死循环，每次循环都会申请内存空间，最终将系统崩溃