C语言—动态内存管理

专栏：C语言
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专栏简介：本专栏主要更新一些C语言的基础知识，也会实现一些小游戏和通讯录，学时管理系统之类的，有兴趣的朋友可以关注一下。

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前言

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一、为什么会存在动态内存分配

在此之前，我们已经熟练掌握了创建变量，在创建变量的时候，计算机会自动根据我们所创建变量的类型来开辟一定大小的空间。

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    
	int a = 1;//在栈空间上开辟四个字节
	int arr[10];//在栈空间上开辟40个字节的连续空间
}

但是，在创建变量的时候所开辟的空间大小是固定的，而且，数组在创建的时候，必须指定数组的长度，为此分配一定的空间。但是，对于这样的空间，可能会存在不够用，或者用不完的情况，这就造成了空间的浪费。那这个时候，就有了动态内存开辟。

二、动态内存函数的介绍

1.malloc和free

malloc和free
C语言为我们提供了一个动态开辟空间的函数。

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，因此在使用malloc函数的时候，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要自己决定类型。
如果参数size=0，malloc的行为是标准未定定义的，取决于编译器。

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有开辟空间就有释放空间。
C语言提供了一个函数free，专门用来释放动态内存所开辟的空间。

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。

mallco和free函数都声明在stdlib.h头文件中

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int num = 10;
	int arr[10] = {
    
     0 };

	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)//每用一次开辟内存的函数都要进行判断，
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	else
	{
    
    
		int i = 0;
		for (int i = 0; i < num; i++)
		{
    
    
			*(ptr + i) = 0;
			printf("%d ", *(ptr + i));

		}
	}
	free(ptr);//释放空间
	ptr = NULL;//free只会把除ptr之外开辟的空间给销毁，
	//并不会把ptr所在的空间销毁，如果不把ptr置为空，
	//ptr就成为了野指针，所以要把ptr也置为空
	return 0;
}

2.calloc

calloc
C语言还提供了一个函数叫calloc，也能用来动态内存分配。

> void* calloc (size_t num, size_t size);

函数功能是为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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("calloc");
		exit(-1);
	}
	free(ptr);
	ptr == NULL;
	return 0;
}

所以如何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.realloc

realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加的灵活。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，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 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

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

1. ptr 是要调整的内存地址
2. size 调整之后新大小
3. 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移动到 新 的空间。

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

1. 原有空间之后有足够大的空间
   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. 原有空间之后没有足够大的空间
   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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	//1.用malloc开辟100个字节的空间
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
    
    
		*(ptr + i) = 1;//赋值
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	puts("");

	//2.
	ptr = (int*)realloc(ptr, 200);//把ptr扩容，扩到200字节
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("realloc");
		exit(-1);
	}
	for (int i = 10; i < 20; i++)
	{
    
    
		*(ptr + i) = 2;//
	}
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
    
    
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	puts("");
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;

}

三、常见的动态内存错误

1.对NULL指针解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    
    
	int* ptr = NULL;
	*ptr = 20;
	
	return 0;
}

本来就是空指针，你在解引用算什么回事。

程序必崩。

2.对动态开辟空间的越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int* ptr = (int*)malloc(4);
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	for (int i = 0; i <= 1; i++)//越界
	{
    
    
		*(ptr + i) = i;
	}
	free(ptr);
	ptr == NULL;
	return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p == NULL;
	return 0;

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int* ptr = (int*)malloc(4);
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	ptr++;
	free(ptr);
	ptr == NULL;
	return 0;
	
}

开了多少空间就要释放多少空间。

5.对同一块动态内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int* ptr = (int*)malloc(4);
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	free(ptr);
	free(ptr);
	ptr == NULL;
	return 0;
	
}

释放一次就够了。

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    
    
	int* ptr = (int*)malloc(4);
	if (ptr == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

开辟了，就一定要还回去。

四、程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结
   束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是
   分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返
   回地址等。
2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分
   配方式类似于链表。
3. 数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁所以生命周期变长。