【C语言学习】动态内存管理1

1.为什么存在动态内存分配

在实际应用中，我们在使用变量时需要创建并声明，编写下列程序：

int val = 20;//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

但是，上述的开辟空间的方式有两个特点：

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，他所需要的内存在编译时分配；

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知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

这个时候只能试试动态内存开辟。

2.动态内存函数介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

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的行为是标准未定义的，取决于编译器。

如下图所示，在内存的堆区开辟一块40字节的整型动态内存：

此外，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指的向空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
• 如果ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc与free都使用声明stdlib.h，最好是一对，有申请空间有释放空间。此外，malloc不初始化。

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫calloc，calloc函数也是用来动态内存分配的，原型如下：

void* calloc(size_t num,size_t size);

• 函数的功能为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；

具体如下图所示

calloc与free也是成对出现的。由于calloc选哟初始化为0，而malloc不需要初始化，从时间复杂度角度看，malloc的“性价比”较高；而calloc相当于calloc = malloc + memset。

2.3 realloc

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活；
• 有时我们会发现过去申请的空间太小了，有时我们又会觉得申请的空间过大了，那位了合理的时候内存，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迁移到新的空间
• realloc在调整内存空间时是存在两种情况：

​ 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

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

增加空间

	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (NULL != ptr)
	{
		p = ptr;
        ptr = NULL;
	}

接下来，realloc在调整内存空间的两种情况，详细如下图所示：

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*) malloc(INT_MAX);
	*p = 5;
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

在上述代码中，malloc创建了一个INT_MAX的空间，由于太大，内存没有足够的空间，返回空；因而5无法赋值给*p。

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

上述代码中，动态开辟的空间，一旦越界访问，程序就会崩溃。

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);
}

如下图所示，上述代码执行时，编译器会崩溃。

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放
    //在释放的时候，p不再指向动态内存的起始位置
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

此时，执行上述代码，程序依然崩溃。

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;

	//释放
	free(p);

	//使用
	for (i = 20; i < 30; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//释放
	free(p);
	return 0;
}

这种情况，程序会崩溃。

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

int* get_memory()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//
	return p;
}

int main()
{
	int* ptr = get_memory();
	//使用


	return 0;
}

函数会返回动态开辟空间的地址，记得在使用之后返回。

小结：

在学习动态内存管理时，需要注意：忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。