【数据结构】动态内存管理函数

为什么存在动态内存管理

在此之前，我们开辟内存空间有两种方式。一种是创建一个已知类型的变量。
比如说：

int a=10;  //在栈空间上开辟4个字节

向系统申请了4个字节的内存空间。(对于 int型，4个字节它是固定的。)
还有一种是，创建一个数组。
比如说：

int arr[10]; //在栈空间上开辟40个字节的连续空间。

向系统申请了40个字节的内存空间。当这个数组开辟好了空间，没有办法改变它的大小。
对于数组的创建，它的内存开辟方式是比较死板的。

int arr1[10];int arr2[100]；

我们创建数组时，在一开始时就会指定数组的大小。arr1的内存空间为40个字节，可以存放10个整型元素。arr2的内存空间为400个字节，可以存放100个整型元素。

但有可能我们在使用数组arr1的时候，需要存放11个数组元素，而没有办法把它边长。
我们可能为了尽可能满足很多情况，而创建一个很大的数组arr2，但在实际使用过程中，我们可能只会存放20个元素，而导致了内存空间的浪费。

所以这样的内存开辟方式它是固定的，是不够灵活的。 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，那么数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。 所以，我们需要学会开辟动态内存。

动态内存函数的介绍

malloc
free
calloc
realloc

🎊malloc

malloc函数的原型：

void* malloc(size_t size);

malloc声明在stdlib.h头文件中。
功能：
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，则返回指向这块空间的指针。
• 如果开辟失败，则返回一个NULL指针。
• 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。

因此，malloc函数的返回值一定要做检查。

举个例子：
原来，我们用数组在栈区开辟内存空间:

现在，我们在堆区动态开辟同样大小的内存空间：

根据malloc函数的原型，我们需要传递一个参数，以字节为单位的内存。

malloc(40)//即开辟了40个字节的内存空间

然后，我们需要一个指针p来指向这块儿开辟好的连续的 内存空间。
但由于 malloc函数的返回值为 void*，即无类型指针，所以我们需要先进行强制转换，将无类型指针转换为整型指针。
因此，

int* p=(int*)malloc(40);

此时我们，开辟的空间在内存中的堆区的空间，但是指向这块空间的指针是放在栈中的，也就是上面例子中的p指针。
如下图所示。

但是，正如我们上面所提到的，我们只是用malloc函数向内存申请开辟40个自己的连续空间，不一定开辟成功。所以我们需要利用指针p进行进一步检验。

若开辟成功，进行访问：

malloc函数 申请的内存空间，但程序退出时，不会主动释放的，需要使用free函数来释放。

补充：perror函数

perror函数（忘的打印输出函数）

来自这篇博客：C语言perror函数详解

🎊free

C语言提供free函数，专门用来做动态内存的释放和回收的。
free函数原型：

void free(void *ptr);

free函数也是声明在头文件<stdlib.h>中的。
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。

🎊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。
calloc函数的原型：

void* calloc(size_t num,size_t size);

calloc函数的功能为，为num个大小为size的元素开辟一块空间，并且把每个字节初始化为0。
与函数malloc函数的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的每个字节初始化为0。
即：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//开辟10个大小为sizeof(int),即4个字节 的空间//判断是否开辟成功if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++)printf("%d\n", *(p + i));return 0;
}

🎊realloc

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
  有时候我们发现之前申请的内存过小了，有时候我们发现我们申请的内存过大了，所以，在一些时候，我们需要对内存的大小做灵活的调整。那么realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
  realloc函数的原型如下：

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

其中，ptr是要调整的内存的地址。
size是调整之后的新的内存的大小。
返回值是调整之后内存的起始位置。

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。
举个例子：
我们首先使用malloc函数开辟40个字节的空间：

//malloc函数申请空间
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{perror("malloc");return 1;
}
//初始化
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)*(p + i) = i;

我们想要将这个空间扩大，扩大为80个字节的空间。
于是我们使用realloc函数进行调整。但是内存空间的变化可能有不同的情况。
情况一，后面有足够的空间。
即这样的情形：
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。

情况二，后面没有足够的空间：
那么就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。

//增加一些空间
int *ptr=realloc(p, 80);
if (ptr != NULL)
{p = ptr;
}

在用realloc函数调整动态内存空间时，要注意不能将原来的p指针，来接收realloc(p,80)。
这是因为relloc函数不一定开辟成功新的空间而进行调整，即realloc函数的返回值可能为NULL。
那么p=NULL，本来p维护40个字节的空间。那么这样那个40个字节空间的字节就没有指针维护了。但还没有释放，可能用不到了，但可能找不到了，从而造成内存泄露。

常见动态内存错误

对空指针的解引用操作

当我们用malloc函数在堆上开辟了内存空间，此时会返回一个指针，如果，我们不判断返回值的话，可能就会发生对空指针解引用的错误。

比如：

void test()
{int *p = (int *)malloc(INT_MAX*10);*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题free(p);
}

• INT_MAX 是在计算机编程中表示有符号整型(signed integer)所能存储的最大值。

如上如，p是空指针。那么就发生了对空指针的解引用操作的错误。

对动态开辟空间的越界访问

这个道理和在栈上申请空间是一样的道理。
在堆上申请空间，超过范围越界访问就会报错。

void test()
{int i = 0;int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));if(NULL == p){exit(-1);}for(i=0; i<=10; i++){*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);
}

对非动态开辟内存使用free释放

对于在栈上开辟的空间，却用free来释放…头脑不清醒可能会用free来释放吧…

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

例如，下面的一段代码，p没有释放掉动态内存起始位置的那块空间。
这种错误就是在写代码的过程中，起始指针跑偏了，但自己可能没有意识到。

所以，一块连续的空间必须重头释放，一次性全部释放完。

对同一块动态内存多次释放

例如下面这段代码，它释放了两次，就会出现报错。

更好的习惯是，当我们释放完一段空间后，将指针p设置为空指针。

void test()
{int *p=(int *)malloc(100);free(p);p=NULL;free(p);//此时就什么事就没有了
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test5()
{int* p = (int*)malloc(100);if (NULL != p){*p = 20;}
}int main()
{test5();while(1);return 0;
}

例如，这段代码，在主函数中，我调用test5()函数时，p指针在堆上申请了一块空间，但是函数调用完毕后，出了这个test5()函数，局部变量指针p已经销毁了。
但是，这在堆上开辟的100个空间还在占用。
并且出了这个函数，我们已经找不到这块空间的地址了，程序while(1)还在继续。
我们想用，但是不知道这块空间的起始地址，所以我们用不上。同样的，我们想要释放，我们还是释放不了。这就造成了内存泄漏。
所以它只有当程序结束后，才会自动释放。