C語言之動態內存管理

1. 為什么要有動態內存管理

我們已經掌握的內存開辟?式有：

#include <stdio.h>int main()
{int val = 20;int arr[10] = { 0 };return 0;
}

上述的開辟空間的?式有兩個特點：
? 空間開辟大小是固定的

?數組在申明的時候，必須指定數組的?度，數組空間?旦確定了??不能調整

所以C語?引?了動態內存開辟，讓程序員??可以申請和釋放空間

2. malloc 和 free

malloc和free函數都是在stdlib.h頭文件中聲明的

2.1 malloc

C語言中提供了一個動態內存開辟的函數：

void* malloc (size_t size);

其中size為要開辟的內存空間的大小，單位為字節

這個函數向內存申請?塊連續可?的空間，并返回指向這塊空間的指針

?如果開辟成功，則返回一個指向開辟好的內存空間的指針
?如果開辟失敗，則返回一個NULL指針
?返回類型為void *，因為malloc函數不知道要開辟什么類型的內存空間，只知道要開辟的大小
?如果參數為0,malloc函數的行為標準是未定義的，取決于編譯器

2.2 free

C語言還提供了一個的函數，專門用來做動態內存的釋放和回收的：

void free (void* ptr);

ptr為要釋放內存空間的指針

?如果參數ptr指向的內存空間不是動態開辟的，那么free函數的行為是未定義的
?如果參數ptr是NULL，則函數什么都不做

如果不對malloc calloc realloc 開辟的空間進行釋放，即使出了作用域也不會銷毀，有可能導致內存泄漏

釋放的方式
1. free
2. 直到程序結束，由操作系統釋放

2.3 例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); //開辟40個字節的空間//判斷是否為NULL指針if (p == NULL){perror("malloc fail\n"); //perror為錯誤信息打印return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;//*p = i;   //如果使用這種方法，p指針向后走了，在下面打印時，就找不到首元素的地址了//p++;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);  //釋放p = NULL; //將指針置NULL，如果不置NULL，下面解引用p時，p就是野指針return 0;
}

代碼運行結果:>
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

malloc開辟空間時，是不會給空間初始化的，如果直接打印，會打印出隨機值

3. calloc 和 realloc

3.1 calloc

C語?還提供了?個函數叫 calloc ， calloc 函數也?來動態內存分配

void* calloc (size_t num, size_t size);

num為要開辟的元素個數
size為開辟元素的元素大小，單位為字節

?calloc為開辟num個大小為size元素的內存空間，并且將內存中每個字節初始化為0
?calloc的使用方法和malloc一樣，主要區別在于calloc會初始化元素

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int* p = (int*)calloc(10 ,sizeof(int));//判斷是否為NULL指針if (p == NULL){perror("calloc fail\n");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}return 0;
}

代碼運行結果:>
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3.2 realloc

C語言中有一個函數用來調整動態內存開辟后的大小

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

ptr為要調整的內存地址
size為調整后的內存大小

? realloc函數的出現讓動態內存管理更加靈活
? 當我們發現我們使用malloc calloc realloc申請的內存空間不夠時，我們可以使用realloc進行擴容

?返回值為調整之后的內存的起始位置（不一定是原內存地址）
?如果開辟失敗則返回一個NULL
?如果開辟成功則分以下兩個情況：

情況1:原有空間之后有?夠?的空間
情況2：原有空間之后沒有?夠?的空間

情況1：在原有內存后邊直接追加空間，原來的空間的數據不變
情況2：原有內存之后的空間不足以最加空間，那么realloc會在堆區中找到一塊足夠開辟新大小的空間，將舊空間中的數據拷貝到新空間，并且將舊空間釋放，同時返回新空間起始位置的地址

realloc的用法除了為開辟的內存進行擴容，也可以和malloc一樣

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//判斷是否為NULL指針if (p == NULL){perror("malloc fail\n");return 1;}int* tmp = (int*)realloc(p, 100*sizeof(int));if (tmp != NULL){p = tmp;}else{perror("relloc fail\n");return 1;}//使用//..........free(p);p = NULL;return 0;
}

這次的運行結果就是情況2（開辟100個字節的大小時，可能會出現），當后面的空間不夠時， realloc就會找一塊新的空間

這次只開辟了40個字節的空間，屬于情況1，后面的空間足夠時， realloc會直接在后面追加空間

4. 常見的動態內存錯誤

4.1 對NULL指針的解引?操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(40);*p = 20; //如果malloc開辟空間失敗，p可能是NULL，此時p為野指針return 0;
}

在VS2022中，編譯器會進行提示，我們得對可能出現NULL的情況進行處理

在使用malloc calloc realloc開辟空間時，最好對返回值進行判斷，當不為NULL再使用

4.2 對動態開辟空間的越界訪問

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc fail\n");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i <= 10; i++)  //只有10個元素的空間，卻訪問了第11個元素，訪問越界了{*(p + i) = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}

4.3 對?動態開辟內存使?free釋放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int a = 10;int* p = &a;free(p);return 0;
}

當用free釋放了不是由malloc calloc realloc開辟的空間時，就會報錯

4.4 使?free釋放?塊動態開辟內存的?部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int a = 10;int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc fail\n");return 1;}//使用//......p++;free(p);p = NULL;return 0;
}

當用free釋放了開辟空間的一部分時，就會報錯

4.5 對同?塊動態內存多次釋放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int a = 10;int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc fail\n");return 1;}//使用//......free(p);free(p);p = NULL;return 0;
}

對一塊動態開辟的內存進行多次free釋放

在上述代碼中如果free釋放NULL，則沒有問題，因為free的參數為NULL時，則什么都不做

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{int a = 10;int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc fail\n");return 1;}//使用//......free(p);p = NULL;free(p);p = NULL;return 0;
}

4.6 動態開辟內存忘記釋放（內存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void test()
{int* p = (int*)malloc(100);if (p != NULL){*p = 20;}
}
int main()
{test();while (1); //死循環，讓程序不結束return 0;
}

當動態開辟的內存不釋放時，就會一存在，在上述代碼中，調用了test函數，開辟了100個字節的空間，同時賦值，出函數時，p被銷毀了，但是開辟的空間并沒有被銷毀，沒人可以使用，也沒人可以釋放，就會導致內存泄漏

5. 總結

一丶
在使用malloc calloc realloc開辟的空間時，要對其進行判斷，當不為NULL的再進行使用
二丶
當不使用動態開辟的內存時，將其free釋放，同時將指針置NULL，防止可能出現的內存泄露和野指針
三丶
不對不是動態開辟的空間free，不連續對動態開辟的空間free，同時free動態開辟的空間時，要給開辟的起始地址，不能free部分空間