动态内存管理——C语言【进阶】（上）

桃扇骨 2023-10-11 21:28 54阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*  1. 为什么存在动态内存分配
 *  2. 动态内存函数的介绍
 *   *  2.1 malloc和free
     *  2.2 calloc
     *  2.3 realloc
 *  3. 常见的动态内存错误
 *   *  3.1 对NULL指针的解引用操作
     *  3.2 对动态开辟空间的越界访问
     *  3.3 对非动态开辟内存使用free释放
     *  3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
     *  3.5 对同一块动态内存多次释放
     *  3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

## 1. 为什么存在动态内存分配 ##

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

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

1.  空间开辟大小是固定的。
2.  数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。  
    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能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

这时候就只能试试动态存开辟了

## 2. 动态内存函数的介绍 ##

### 2.1 malloc和free ###

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

![在这里插入图片描述][19f28c7523fb46a98cf0fd434222c76d.png]  
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malloc的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。

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

void free (void* ptr);

![在这里插入图片描述][8c14427cbd1149f587c5a13081e2fdc4.png]  
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。  
举个例子：

#include <stdio.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    int main()
    {
        
    	//张三
    	//申请
    	int* p = (int*)malloc(20);
    	if (p == NULL)
    	{
        
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    		return 1;
    	}
    	//使用
    	int i = 0;
    	for (i = 0; i < 5; i++)
    	{
        
    		p[i] = i + 1;
    	}
    	for (i = 0; i < 5; i++)
    	{
        
    		printf("%d ", p[i]);
    	}
    	//释放
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][04108c82b23e43fea4130a39bd81cac1.png]

### 2.2 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。  
原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

![在这里插入图片描述][681c9c949a1a4680a88188bb878dc50c.png]

*  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，如果要初始化，就用calloc，如果不需要初始化，就用malloc

举个例子：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    int main()
    {
        
    	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    	if (NULL != p)
    	{
        
    		//使用空间
    	}
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][66ae6e24296b42d49ccbd57467953281.jpeg_pic_center]

> 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。

### 2.3 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，那为了合理的时候内存，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。

函数原型如下：

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

![在这里插入图片描述][b908e15f348b4ba7aefa1764a8cf8653.png]

*  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：

>  *  情况1：原有空间之后有足够大的空间
>  *  情况2：原有空间之后没有足够大的空间  
>     ![在这里插入图片描述][c74d57f869f546d483e1975907249a8f.png]

**情况1**  
当是情况1 的时候，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。

**情况2**  
当是情况2 的时候，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。  
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。  
举个例子：

> 答案：**不行**  
> 原因：如果realloc函数返回空指针，空指针赋给p，最后p里面连最开始的20个字节都会没有  
> 怎么改呢？——用一个临时的指针来接收，代码如下

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    int main()
    {
        
    	int* p = (int*)malloc(20);
    	if (p == NULL)
    	{
        
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    		return 1;
    	}
    	//使用
    	int i = 0;
    	for (i = 0; i < 5; i++)
    	{
        
    		p[i] = i + 1;
    	}
    		int* ptr = (int*)realloc(p, 400000);
    
    	if (ptr != NULL)
    	{
        
    		p = ptr;
    		//使用
    		for (i = 5; i < 10; i++)
    		{
        
    			p[i] = i + 1;
    		}
    		for (i = 0; i < 10; i++)
    		{
        
    			printf("%d ", p[i]);
    		}
    	}
    	
    	//释放
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][de87acb1614f4d838765d33b65ddeb95.png]

## 3. 常见的动态内存错误 ##

### 3.1 对NULL指针的解引用操作 ###

int main()
    {
        
    	int* p = (int*)malloc(20);
    	//可能会出现对NULL指针的解引用操作
    	//所以malloc函数的返回值要判断的
    	int i = 0;
    	for (i = 0; i < 5; i++)
    	{
        
    		p[i] = i;
    	}
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

### 3.2 对动态开辟空间的越界访问 ###

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

> 越界访问时程序关闭都很困难，会程序崩溃的

### 3.3 对非动态开辟内存使用free释放 ###

//对非动态开辟内存使用free释放
    int main()
    {
        
    	int arr[10] = {
         1,2,3,4,5 };
    	int* p = arr;
    	//....
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

> 程序依然会崩溃  
> ![在这里插入图片描述][5d0ab871083c4dd1aed2bb7d80aad165.png]

### 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分 ###

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
    int main()
    {
        
    	int* p = (int*)malloc(40);
    	if (p == NULL)
    	{
        
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    		return 0;
    	}
    
    	int i = 0;
    	//[1] [2] [3] [4] [5] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 
    	for (i = 0; i < 5; i++)
    	{
        
    		*p = i + 1;
    		p++;
    	}
    	//释放
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

运行之后程序依然会崩溃  
![在这里插入图片描述][29433a623e904c009e9c76ee21a59503.png]

### 3.5 对同一块动态内存多次释放 ###

//对同一块动态内存多次释放
    int main()
    {
        
    	int*p = (int*)malloc(20);
    	if (p == NULL)
    	{
        
    		return 1;
    	}
    	//使用
    	free(p);
    	//释放
    	free(p);
    	p = NULL;
    
    	return 0;
    }

运行后：  
![在这里插入图片描述][31fa8da5298e4486be83f1936bb42256.png]

### 3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏） ###

> `malloc`，`calloc`， `realloc`所申请的空间如果不想使用，需要`free`释放，如果不使用free释放，程序结束后也会由操作系统回收  
> 如果不使用free释放，程序也不结束，就会出现内存泄漏

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

**忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。**

切记：

自己申请的，尽量自己释放
    自己不释放的，告诉别人释放

> 好了关于动态内存管理，七七今天就先分享到这里，如果这篇文章对大家有帮助，请佬佬们点个赞再走吧！如果发现什么问题，欢迎评论区留言！

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