408学习笔记-16-C-动态内存管理

1、为什么要有动态内存分配

常规定义出来的变量，它们的大小都是已经规定好的，即在内存中开辟的内存空间都是固定的；且空间大小不可调整，可能会造成内存空间的浪费。

于是C语言引入了动态内存开辟功能，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2、malloc函数与free函数

2.1、动态内存开辟函数malloc

函数格式：void* malloc (size_t size)。

这里的size是指所要开辟的空间的大小，单位为byte。

函数功能：这个函数向堆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。

注意：
1、如果开辟成功，则返回一个指向所开辟的空间的指针，也就是所开辟的空间的首地址。

2、malloc所开辟的空间是堆空间，与之前所学的栈空间不同，且在仅开辟而未初始化的情况下，新开辟的空间里是随机值。

3、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。

4、返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道自己所开辟的空间的类型，在后续的使用中可以通过类型转换来获得使用者想要类型的指针

5、如果参数size为0，malloc的行为是C标准中未定义的，取决于编译器。

6、malloc函数在使用前需要包含头文件<stdlib.h>。

7、当我们定义一个指针变量p用于接收malloc函数的返回值时，指针变量p是在栈内存中，而p所指向的空间在堆内存，也就是说若在子函数中定义这样的一个指针变量去接收malloc的返回值，若子函数结束时，即指针变量p被回收时，依然没有对所申请的堆空间进行释放，则这片堆空间将得不到释放。

2.2、动态内存释放函数free

函数格式：void free (void* ptr)。

函数作用：free函数用来释放动态开辟的内存。

函数出现的原因：因为在堆空间中开辟的内存空间，在程序运行结束后不会被操作系统回收释放。因为操作系统维护的是栈空间，而堆空间由库函数来维护，所以需要用专属的库函数来手动清除堆区中的内存空间，如若不回收释放，则即使程序运行结束，栈区中的已使用的空间依然会被持续占用。

矛盾，后续改正：

注意：
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、ptr必须是动态开辟的空间的首地址，否则free函数会报错。

3、如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不会做。

4、malloc和free都声明在<stdlib.h>头文件中。

5、free函数只会释放使用函数malloc时所规定大小的内存空间，而通过访问越界等手段使用到的空间并不会被回收释放。

6、free函数只对指向动态内存空间的指针起作用，对其他指针不起作用。

7、free函数仅对动态内存空间的首地址起作用，而对指向动态内存空间中的某一部分的指针不起作用。

8、对同一块堆内存空间多次使用free也是错误的。

9、如若忘记使用free，则会导致内存泄漏，特别容易出现在于子函数中使用动态内存开辟函数，而忘记在子函数中使用free的这种情况。

3、calloc函数和realloc函数

3.1、动态内存空间开辟函数calloc

C语言还提供了calloc，calloc这两个函数用来实现动态内存分配。

函数格式：void* calloc (size_t num, size_t size)。

函数作用：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。

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。

3.2、动态内存空间调整函数realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，为了合理的使用内存，我们一定会需要对所申请的内存空间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空间大小的调整。

函数格式：void* realloc (void* ptr, size_t size)。

函数功能：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空间的起始位置。

注意：
1、这个函数在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。

2、realloc在调整动态内存空间时，存在三种情况：

（1）情况1：原有空间之后有足够大的空间。在此情况下，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。

（2）情况2：原有空间之后没有足够大的空间。在此情况下，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间中另开辟一个满足大小要求的连续空间，接着将原来空间里的数据拷贝一份到新的空间，然后释放旧的空间，最后返回新的内存空间的起始地址。

（3）情况3：空间调整失败，返回空指针NULL。

3、在使用此函数后，一定要对返回值进行验证，验证其是否为空指针。

4、realloc不具有类似于calloc函数一样的自动初始化功能，也就是说，通过realloc补充出来的空间，里面在初始化前都是随机数据。