【c语言】动态内存管理(带图详解）

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1. 为什么存在动态内存分配

int a = 10;//在栈空间上开辟四个字节
char  arr[10]; //在栈空间上开辟10个字节的连续空间

这种开辟空间方法特点：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 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。

上面所述都是静态的，不能变化的。这种开辟方式叫 静态开辟内存。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。这时候就只能试试动态存开辟了。


从C/C++程序的数据内存分区来看，主要分全局内存区，栈内存区和堆内存区。全局内存区主要用来存放全局变量和静态变量的。对于栈内存，函数调用时传递的参数是通过栈内存传递的，函数中局部变量也是在栈内存上分配的。通过malloc或new动态申请的内存，都是堆内存。

动态开辟内存 :

在C中动态开辟空间需要用到三个函数 :
malloc(), calloc(), realloc() ,这三个函数都是向堆中申请的内存空间.
在堆中申请的内存空间不会像在栈中存储的局部变量一样 ,函数调用完会自动释放内存 , 需要我们手动释放 ,就需要free()函数来完成.

下面让我们来看看这几个函数各自的特点, 用法, 区别, 联系.

2.malloc和free

void * malloc（size_t size）

分配内存的字节数块，返回指向该块开头的指针。
新分配的内存块的内容未初始化，仅保留不确定的值。
如果为零，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是空指针），但返回的指针不应被取消引用。

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函数并不知道开辟空间的类型，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。

int* p = (int*)malloc(INT_MAX+1);
	if (p == NULL) {
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else {
		printf("成功");
	}

返回一个开辟失败，则返回一个NULL指针

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

void free (void ptr);*

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 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。

在堆中申请的内存空间不会像在栈中存储的局部变量一样 ,函数调用完会自动释放内存 , 如果我们不手动释放, 直到程序运行结束才会释放, 这样就可能会造成内存泄漏, 即堆中这片内存中的数据已经不再使用, 但它一直占着这片空间, 所以当我们申请的动态内存不再使用时 ,一定要及时释放 .

• 如果ptr没有指向使用动态内存分配函数分配的内存空间，则会导致未定义的行为。
• 如果ptr是空指针，则该函数不执行任何操作。此函数不会更改ptr本身的值，因此它仍指向相同（现在已经无效）的位置(内存) 在free()函数之后需要将ptr再置空 ,即ptr = NULL;
• 如果不将ptr置空的话 ,后面程序如果再通过ptr会访问到已经释放过无效的或者已经被回收再利用的内存, 为保证程序的健壮性,一般我们都要写ptr = NULL; .

实例如下

int main(){
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(INTPTR_MAX * sizeof(int));
if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
	//.....
}
free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;
return 0;
}

3.calloc

void*calloc (size_tnum, size_tsize);

• 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* ptr = (int*)calloc(10,4);
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		//.....
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;
	return 0;
}

4.realloc

void * realloc（void * ptr，size_t size）

• ptr为需要调整的内存地址
• size为调整后需要的大小(字节数) 若调整成功,
• 返回值为调整大小后内存的起始位置(也就是指向调整后内存的指针), 若失败(当没有内存可以分配时, 一般不会出现),
  则返回NULL,所以还是要对返回值判空
• 如果ptr是空指针, 则和malloc()函数一样作用一样

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

• 情况1：原有空间之后有足够大的空间
  
  当是情况1 的时候，要扩展内存就直接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：原有空间之后没有足够大的空间
  
  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：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样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些。
  当第二种情况时, 若申请新的内存空间成功, 会将ptr所指向的内存中的内容拷贝到新的内存空间中, ptr所指向的内存会被释放, 返回新得内存地址, 若不成功 ,ptr 所指内存不会被释放, 函数返回NULL

实例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//若不成功 ,ptr 所指内存不会被释放, 函数返回NULL,ptr会变成野指针

 int* p = NULL;
 p = (int *)realloc(ptr, 1000);
 if (p != NULL)
 {
	 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}