【C语言】动态内存分配

1、为什么要有动态内存分配

不管是C还是C++中都会大量的使用，使用C/C++实现数据结构的时候，也会使用动态内存管理。

我们已经掌握的内存开辟方式有：

    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

 上面的内存申请方式，一旦申请好空间，大小就无法调整。

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，那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活。

2、malloc和free

2.1 malloc

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了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的返回值一定要作检查。
• 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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{//申请20个字节的空间 - 存放5个整数int* p = (int*)malloc(20);//强制转换为整型//判断是否开辟成功if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//开辟成功，使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = i + 1;}return 0;
}

 2.2 free

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

void free ( void* ptr );   //传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址

 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。

malloc 和 free 都声明在 stdlib.h 头文件中。

free 函数的意思是把空间的使用权限还给操作系统，一旦free完ptr就变成野指针，所以给ptr置空(ptr = NULL)。

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{//申请20个字节的空间 - 存放5个整数int* p = (int*)malloc(20);//强制转换为整型//判断是否开辟成功if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//开辟成功，使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = i + 1;}//释放内存free(p);//传参是要释放内存空间的起始地址p = NULL;return 0;
}

3、calloc 和 realloc

3.1 calloc

C语言提供了一个函数叫 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。
• 函数malloc没有初始化内存，它效率更快。

举个例子：

//使用calloc函数向内存申请5个整型的空间
int main()
{int* p = (int*)calloc(5 ,sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

 输出结果：

0 0 0 0 0

为什么输出全0？

因为calloc函数把申请的空间的每个字节初始化为全0。 

如果我们要对申请的内存空间的内容要求初始化，可以使用calloc函数来完成任务。

3.2 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，有时候我们又会觉得申请的空间太大了，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整，那reallo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，还会将原来内存中是数据移动到新的空间。
• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
  • 情况1：原有空间之后又足够大的空间
  • 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
  • 情况3：调整失败，返回空指针

 情况2解决方法：在堆区的内存找一个新的空间，并且新的大小要求会在原来空间的数据拷贝一份到新的空间。释放旧的空间。返回新的内存空间的起始地址。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = i + 1;}//希望将空间调整为40个字节  //扩展容量//注意：①先将realloc的返回值放到ptr中int* ptr = realloc(p, 40);if (ptr != NULL)  //调整成功{//注意：②ptr不为NULL，就把ptr赋值给pp = ptr;int i = 0;for (i = 5; i < 10; i++){*(p + i) = i + 1;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;}else  //调整失败{perror("realloc");//失败就在这里使用20空间free(p);return 1;}return 0;
}

4、常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX/4);*p = 20;//如果p的值为NULL，就会有问题free(p);
}

4.2 对动态开辟空间的越界访问

//对动态开辟空间的越界访问
int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){exit(EXIT_FAILURE);}for (int i = 0; i <= 10; i++){*(p + i) = i + 1;//当i是10 越界访问}free(p);
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放 

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

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));p++;free(p);//p不是动态内存的起始位置
}

4.5 对同一块内存多次释放

int main()
{int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));free(p);free(p);//重复释放
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

切记：谁创建谁释放   //malloc 和 free 成对出现