C语言之动态内存管理（malloc calloc realloc）

C语言之动态内存管理

1. 为什么要有动态内存管理

我们已经掌握的内存开辟⽅式有：

#include 

int main()
{
	int val = 20;
	int arr[10] = { 0 };
	return 0;
}

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

•数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整

所以C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间

2. malloc 和 free

malloc和free函数都是在stdlib.h头文件中声明的

2.1 malloc

C语言中提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

其中size为要开辟的内存空间的大小，单位为字节

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的内存空间的指针
•如果开辟失败，则返回一个NULL指针
•返回类型为void *，因为malloc函数不知道要开辟什么类型的内存空间，只知道要开辟的大小
•如果参数为0,malloc函数的行为标准是未定义的，取决于编译器

2.2 free

C语言还提供了一个的函数，专门用来做动态内存的释放和回收的：

void free (void* ptr);

ptr为要释放内存空间的指针

•如果参数ptr指向的内存空间不是动态开辟的，那么free函数的行为是未定义的
•如果参数ptr是NULL，则函数什么都不做

如果不对malloc calloc realloc 开辟的空间进行释放，即使出了作用域也不会销毁，有可能导致内存泄漏

释放的方式
1. free
2. 直到程序结束，由操作系统释放

2.3 例子

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); //开辟40个字节的空间
	//判断是否为NULL指针
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n"); //perror为错误信息打印
		return 1;

	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
		//*p = i;   //如果使用这种方法，p指针向后走了，在下面打印时，就找不到首元素的地址了
		//p++;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);  //释放
	p = NULL; //将指针置NULL，如果不置NULL，下面解引用p时，p就是野指针

	return 0;
}

代码运行结果:>
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

malloc开辟空间时，是不会给空间初始化的，如果直接打印，会打印出随机值

3. calloc 和 realloc

3.1 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

void* calloc (size_t num, size_t size);

num为要开辟的元素个数
size为开辟元素的元素大小，单位为字节

•calloc为开辟num个大小为size元素的内存空间，并且将内存中每个字节初始化为0
•calloc的使用方法和malloc一样，主要区别在于calloc会初始化元素

例子：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10 ,sizeof(int));
	//判断是否为NULL指针
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc fail\n");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

代码运行结果:>
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3.2 realloc

C语言中有一个函数用来调整动态内存开辟后的大小

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

ptr为要调整的内存地址
size为调整后的内存大小

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
• 当我们发现我们使用malloc calloc realloc申请的内存空间不够时，我们可以使用realloc进行扩容

•返回值为调整之后的内存的起始位置（不一定是原内存地址）
•如果开辟失败则返回一个NULL
•如果开辟成功则分以下两个情况：

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：在原有内存后边直接追加空间，原来的空间的数据不变
情况2：原有内存之后的空间不足以最加空间，那么realloc会在堆区中找到一块足够开辟新大小的空间，将旧空间中的数据拷贝到新空间，并且将旧空间释放，同时返回新空间起始位置的地址

realloc的用法除了为开辟的内存进行扩容，也可以和malloc一样

例子：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//判断是否为NULL指针
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return 1;
	}
	int* tmp = (int*)realloc(p, 100*sizeof(int));
	if (tmp != NULL)
	{
		p = tmp;
	}
	else
	{
		perror("relloc fail\n");
		return 1;
	}
	//使用
	//..........
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这次的运行结果就是情况2（开辟100个字节的大小时，可能会出现），当后面的空间不够时， realloc就会找一块新的空间

这次只开辟了40个字节的空间，属于情况1，后面的空间足够时， realloc会直接在后面追加空间

4. 常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引⽤操作

#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	*p = 20; //如果malloc开辟空间失败，p可能是NULL，此时p为野指针
	return 0;
}

在VS2022中，编译器会进行提示，我们得对可能出现NULL的情况进行处理

在使用malloc calloc realloc开辟空间时，最好对返回值进行判断，当不为NULL再使用

4.2 对动态开辟空间的越界访问

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)  //只有10个元素的空间，却访问了第11个元素，访问越界了
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放

#include 
#include 

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

当用free释放了不是由malloc calloc realloc开辟的空间时，就会报错

4.4 使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return 1;
	}
	//使用
	//......
	p++;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

当用free释放了开辟空间的一部分时，就会报错

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return 1;
	}
	//使用
	//......
	free(p);
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

对一块动态开辟的内存进行多次free释放

在上述代码中如果free释放NULL，则没有问题，因为free的参数为NULL时，则什么都不做

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return 1;
	}
	//使用
	//......
	free(p);
	p = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include 
#include 

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1); //死循环，让程序不结束
	return 0;
}

当动态开辟的内存不释放时，就会一存在，在上述代码中，调用了test函数，开辟了100个字节的空间，同时赋值，出函数时，p被销毁了，但是开辟的空间并没有被销毁，没人可以使用，也没人可以释放，就会导致内存泄漏

5. 总结

一丶
在使用malloc calloc realloc开辟的空间时，要对其进行判断，当不为NULL的再进行使用
二丶
当不使用动态开辟的内存时，将其free释放，同时将指针置NULL，防止可能出现的内存泄露和野指针
三丶
不对不是动态开辟的空间free，不连续对动态开辟的空间free，同时free动态开辟的空间时，要给开辟的起始地址，不能free部分空间