C语言动态内存分配详解（能看懂文字就能明白系列）

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一、为什么要有动态内存

首先，我们知道这样的一个知识：所以程序都必须预留足够的来存储程序使用的数据。这些内存中有些是自动分配的。静态数据在程序载入内存时分配，而自动数据在程序执行块时分配，并在程序离开该块空间时销毁。

举个例子：

int x;//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

再比如我们想创建一个存储班级成绩的一个数组：

int main()
{
	int n = 0;//
	char ch = 'a';
	//数组 - 存放一个班级的数学成绩
	int arr[30] = {0};
	return 0;
}

上述的开辟空间的方式由两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整，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。
• 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，就比较灵活了。

二、mallloc和free的介绍和使用

malloc()函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数（malloc）：
原型：

void* malloc (size_t size);

该函数接受一个参数：所需的内存字节数。
malloc()函数会找到合适的空闲内存块，这样的内存时匿名的。也就是说，malloc()分配内存，但是不会为其赋名，而是返回动态内存分配内存块的首字节地址。因此，我们可以把该地址赋给一个指针变量，并使用指针访问这块内存。

所以我们可以尝试用malloc()创建一个数组：

int* pst;
pst = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

解释：以上代码为10个int类型的值请求空间，并用一个指针pst指向该位置。
注意：指针pst被声明为指向一个int类型，而不是指向内含10个int类型值的块，回忆一下，数组名是该数组首元素的地址。因此，如果让pst指向这个块的首元素，便可像使用数组名一样使用它。也就是说，可以使用表达式pst[0]访问该块的首元素，pst[1]访问第二个元素，以此类推。可以使用数组名来表示指针，也可以用指针来表示数组。

总结：
malloc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函数只知道申请多大的空间，但是并不知道开辟空间的类型是什么，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
• malloc申请的空间是在内存的堆区

free()函数

C语言提供了另外一个函数free,专门用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free(void* ptr);

为什么要设计这样一个函数呢？
原因：
静态内存的数量在编译时是固定的，在程序运行期间也不会改变。自动变量使用的内存数量在程序执行期间自动增加或减少。但是动态内存的内存数量只会增加，除非用free()进行释放。

总结：

• 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。

注意：malloc和free都声明在头文件中

malloc函数和free函数的结合使用

简单介绍完malloc和free，接下来尝试结合用一下

例如我们可以这样用：

#include 
#include 
int main() {
    int* ptr; // 声明一个指向整数的指针
    int n = 5; // 假设要分配5个整数的空间
    // 使用malloc分配n个整数大小的内存空间
    ptr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) { // 检查内存分配是否成功
        printf("内存分配失败\n");//也可以用perror函数报错
        return 1; // 返回错误代码
    }

    // 对分配的内存空间进行操作，例如赋值和打印
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        ptr[i] = i + 1; // 给每个元素赋值
    }

    printf("分配的%d个整数的值为：\n", n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]); // 打印每个元素的值
    }
    printf("\n");

    // 释放使用malloc分配的内存空间
    free(ptr);

    return 0;
}

总结：
通常，malloc()要与free()配套使用。free()函数的参数是之前malloc()返回的地址，该函数释放之前malloc()分配的内存。因此，动态分配内存的存储期从调用malloc()分配内存到调用free()释放内存为止。设想malloc()和free()管理着一个内存池。每次调用malloc()分配内存给程序使用，每次调用free()把内存归还内存池中，这样便可以重复使用这些内存。free()的参数应该是一个指针，指向由malloc()分配的一块内存。不能用free()释放通过其他方式（如，声明一个数组）分配的内存。

三、calloc()函数

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：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务

四、realloc()函数

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
有时候我们发现申请的空间太小了，有时候我们又觉得申请的空间过大了，那为了合理的分配内存，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如果调整空间失败，会返回NULL
• realloc如果调整内存空间成功存在两种情况：
  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，要扩展内存就直接在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：在堆空间上另外找一个合适的大小的连续空间来使用。这样的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点。

#include 
#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);//申请空间
	if (ptr != NULL)
	{
		//…………
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//扩展容量
	//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
	//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);//相当于创建了一个临时指针变量，不为空指针才赋值给原来的指针
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//释放空间
	free(ptr);
	return 0;
}

总结

本文关于介绍动态内存分配的芝士暂时记录到这里，下一篇会介绍常用的动态内存错误。