【C语言】零基础教程——动态内存管理

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s", strerror(errno));//若开辟失败，打印错误信息
		return 1;//约定俗成：返回0表示正常，返回1表示不正常
	}
	int i = 0;
	//赋值
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ",*(p + i));
	}
	return 0;
}

这时候可能有同学可能会问了：

那如果malloc函数开辟失败会怎么样呢？

演示一波~

在C语言中有这么一个定义好的值：INT_MAX

这是什么东西呢？

叫整形最大值，有多大呢？

转到定义来看看：

不得了，是一个21亿多的一个数字，这时候，让malloc函数开辟这么打一个空间试试？

嗯...好吧没想到电脑内存还蛮大的，开辟出来了...

这样，咱来个INT_MAX*INT_MAX

走~

还没运行，就已经提醒你了哈哈哈。

一个开辟空间失败的错误示范；

还有一个点：

什么是栈区，堆区？

内存里面分为三个区，就是栈区，堆区，静态区（实际上还有很多其他区，主要讲这几点），栈区是用来存放临时变量的，变量空间定义好就不能再变了，而malloc、calloc、realloc这几个函数就会在堆区上开辟空间，定义好后根据需求，可以继续改变变量所占空间的大小，静态区用来存放全局变量；（如下图）

细致一点就如下图：

有没有思考过这样一个问题？

即使一个空间用完了，退出程序，系统会自动回收空间，但如果一个空间用完了，不想再用了，程序还在需要继续运行，继续开辟空间，那岂不是会造成内存泄露？

2.2 free

不用担心~😶‍🌫️

C语言专门提供了一个函数free，用来解决内存泄漏，回收空间的功能！原型如下：

void free (void* ptr);

先来看看free函数的特点吧~

1.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。
2.如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

3.来源于stdlib.h

具体应用&&带入刚刚的例子

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s", strerror(errno));//若开辟失败，打印错误信息
		return 1;//约定俗成：返回0表示正常，返回1表示不正常
	}
	int i = 0;
	//赋值
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ",*(p + i));
	}
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

这里又是一个细节~

p = NULL?

想象以下，释放了内存，可以不管这个指针p了吗？

经过调试可以看到：

free前：

注意：p,10可以展示出10个元素，若只是p，只会显示一个值;

free后：

和free前有什么一样的，有什么不一样的？

free后，内存还给操作系统，动态开辟的空间里赋的值全部变为随机数，但是，p指针指向的地址依旧没变（x64环境）。

这样会使得指针p十分危险（野指针）,即使空间还给了操作系统，但是p地址依旧不变，导致如果以后不小心误用了指针p会导致内存的非法访问！

所以一定要注意，每次释放完动态内存开辟的空间后，请将指针置为NULL;

2.2 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);

calloc函数有什么特点呢？和malloc函数有什么区别呢?

calloc函数的特点是为 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；

区别在于： malloc会将创建好的空间赋上随机值，而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:

可以从内存看出calloc函数开辟好空间，内存就已经全部初始化好成全零了

calloc貌似就等于malloc+memset（初始化全零）

所以如果在需要对开辟好的空间初始化成全零，calloc无疑是个很好的选择！

2.3 realloc

此函数的出现让动态内存开辟更加灵活！实现了真正意义上的 “动态”~

🤔写代码时，我们常常会遇到这样一个场景，开辟了一个40个字节的空间，但是后来实际操作中，又感觉不够用了，或者是感觉开辟大了，怎么办呢？

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);

realloc函数的特点

1.ptr 是要调整的内存地址
2.size 调整之后新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置。
4.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

具体来讲realloc在调整内存空间的是存在两种情况：（如下图解）

例子：在malloc开辟的40个字节的空间扩容到80个字节的空间

情况一：

情况二：

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
	{
		//处理
	}
	p = (int*)realloc(p, 80);//注意这里！这样写可以吗?
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
	{
		//处理
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

观察代码中的思考问题，这样写合理吗？

不合理！

想象以下，如果realloc空间开辟失败，就会传给p一个空指针，但是p本身是有指向malloc开辟的那块地址啊，一旦接收空指针，原来的那块空间不就废掉了吗？

所以可以考虑用个临时指针来接收，如果realloc开辟成功，再将临时指针赋值给p，就可以有效避免内存泄漏问题；

代码实现如下:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
	{
		//处理
	}
	int* tmp_p = (int*)realloc(p, 80);
	if (tmp_p != NULL)
	{
		p = tmp_p;
		//处理
	}
	else
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

直接上代码：

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(INT_MAX * INT_MAX);
	*ptr = 10;
	return 0;
}

想象以下如果malloc开辟失败会发生什么？

malloc开辟失败返回一个NULL，赋值给ptr

造成对NULL指针的解引用操作！

对动态开辟空间的越界访问

看看以下代码哪里出问题了？

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//赋值
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
    free(ptr);
    ptr = NULL;
	return 0;
}

很明显，当赋值10的时候发生了越界访问;

对非动态开辟内存使用free释放

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//赋值
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*ptr = i;
		ptr++;
	}

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

这样是否可行？

ptr一旦++，导致ptr指针不在指向动态开辟的起始位置，这时候free会发生什么呢？（如下图）

这时候有人可能会说：那用const修饰以下不就很安全吗？

是啊，安全是安全了，但是ptr = NULL;不也不行了吗？从而产生野指针问题，所以一定要注意避免!

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

对同一块动态内存多次释放

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(40);
    if(ptr == NULL)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        //处理
    }
    free(ptr);

    //处理

    free(ptr);//重复释放
    return 0;
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(40);
    if(ptr == NULL)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        //处理
    }
    return 0;//忘记free
}

注意：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放！