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【C语言】动态内存管理

news 来源：原创 2024/9/29 7:30:15

前言

为什么要有动态内存分配？

可以回想一下目前为止，我们想要向内存申请一块空间存放数据，有哪些手段呢？

目前我们遇到的方式主要有两种：

一、创建一个变量。比如我们存放一个整型数据，就创建一个整型变量。（也就是申请4个字节）我们创建一个变量，存放了一个数据。

int n = 2077;

二、如果我们要存放多个数据呢？这就是我们的数组，连续存储一组相同类型数据。比如下面这里申请了4个整型，也就是16个字节的空间。

int arr[4]={2,0,7,7};

但是，这两种存储方式是有缺陷的：

我们能否将n的4个字节空间扩大到10个字节、将arr的16个字节扩大到40个字节？（缩小也是同理）这是做不到的。这些空间开辟好就固定了，大小是不能变化的。

那么，不能变大变小，在实际解决问题过程中就会存在缺陷：

所以，C语言引入了动态内存开辟，让程序员可以自己申请和释放空间，想扩大缩小都可以，就比较灵活了。

这样的过程是动态的，顾名思义。

而实现动态内存管理的，就是四个函数：malloc 、free 、calloc、 realloc。

那么接下来就是这四个函数的介绍。

malloc函数

对于记忆一个函数名称，理解它的字母本身的含义是非常重要的：

m代表着memory，内存。alloc是allocate，分配、划拨。也就是开辟内存的意思。

头文件是stdlib.h。

参数size就是我们要开辟多大的内存块，单位是字节。

返回值类型是void*，malloc帮我们开辟完空间，交给我们的方式就是把这个空间的起始地址交给我们。

注意，开辟空间的大小不是我们想多大就可以多大的。如果我们要开辟的空间过大，可能就会开辟失败。而开辟失败，这个函数就会返回空指针。

所以这个函数的返回应该有两种情况：起始地址或空指针。

int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));

我们无需自己计算，而是用sizeof的方式来计算10个整型的大小；同时，我们既然希望是把这块空间用于存放整型，我们就通过强制类型转换，最终用一个整型指针来接收这块空间的起始地址。

而根据我们刚才所说，malloc开辟空间可能有两种情况，所以我们要对空指针的情况进行检查：

检查空指针情况

int main()
{int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));if(p = NULL){perror("malloc");//perror请看下文简介return 1;//返回0代表正常情况，非0值代表异常}return 0;
}

perror函数

这个函数能将错误对应的错误信息直接打印出来，原型是void perror(const char* str);它会先打印str指向的字符串，然后帮你加上":"和一个空格，再打印错误信息。

malloc申请空间的使用

言归正传，malloc申请的也是一块连续的空间，所以我们可以将其视作数组一般，在我们申请的40个字节里，存上10个整型：

int main()
{int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));if(p = NULL){perror("malloc");//perror请看下文简介return 1;//返回0代表正常情况，非0值代表异常}int i = 0;for(i = 0;i < 10;i++){*(p + i)=i + 1;//将1~10赋给10个整型的空间}    return 0;
}

但是我们要清楚，这样开辟的空间与数组开辟的空间的区别：
1.动态内存的大小是可以调整的。

2.开辟空间的位置不同。

看这张图，是否还记得内存分为这几个区域。

可以看到我们的数组是放在栈区的，而动态内存，也就是我们malloc free calloc realloc操作的空间是在堆区。

最后还要注意的一点是，如果在使用malloc时，参数size的大小为0，那么malloc的行为是未定义的，取决于编译器。

free函数

上面我们做的是申请空间的动作，但其实在申请和使用完之后是需要释放空间的。

在C语言中，free函数就是专门用来做动态内存的释放和回收的。

可以看到，头文件是stdlib.h，原型是void free(void* ptr);

返回类型为void，无需返回值。

参数是void*类型的指针，可以将任意类型地址的空间释放。

所以在刚才我们的代码中，只需在使用完空间后写上一句free(p);就能释放了。

free调用后是把这块空间还给操作系统了，但是p仍然存放着这块空间的地址。

此时我们的p就变成了野指针（p指向的空间不属于当前程序，但还是能找到这个空间）。

就像你将房子租给一个房客，在他退租后仍然拥有这个房子的钥匙能够访问这个空间一样，十分危险。

所以我们要收走这个“钥匙”，也就是p=NULL;

free(p);
p=NULL;

为什么要free

此时我们还能看到数组与malloc申请空间的另一个不同。

请看数组的生命周期的情况：

int main()
{int arr1[10];{int arr2[5];}//出了这里，arr2生命周期就结束了return 0;
}//出了这里arr1生命周期就结束了

注意，局部变量（数组）是进入范围创建，出了范围就自动销毁了，也就是将这块空间还给操作系统了。这种空间的生命周期的维护是自动的。但malloc申请的空间就不一样，需要手动（代码方式）释放内存。

如果不释放的话，程序结束时也会被操作系统自动回收。

似乎不释放也会由操作系统“擦屁股”，但是在我们不使用这块空间后可能还有很多代码，而我们没有释放这块空间，这块空间既不用也不释放，有点浪费空间了。所以我们不用时应该释放。

而且，在后面我们想要释放的时候可能找不到这块空间了。

使用free有两种要注意的情况：

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.如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

比如ptr是指向数组的指针时，不是动态开辟的，这是不能用free释放的。数组在栈上，而free负责的是堆区的空间。

小结

根据上面的讲解，malloc是开辟一块空间，free是释放一块空间，它俩最好成对使用。

calloc函数

calloc也是用来动态内存分配的。

返回类型仍然是void*，而有两个参数。

可以看到，这个函数是开辟空间并且初始化为0。

总结就是这个函数为你开辟num个size大小的空间，把起始地址返回，同时会将内存内容初始化为0。

比如我们现在申请10个整型大小的空间（下面的malloc用于对比）：

int* p1 = (int*)calloc(10,sizeof(int));
int* p2 = (int*)malloc(10*sizeof(int));

同样的，calloc开辟空间也可能失败，也会返回NULL，所以我们同样需要对NULL情况进行检查：

if(p == NULL)
{perror("calloc");return 1;
}

如果检查不是NULL，代表开辟成功，那么这块空间就可以使用。为了体现calloc开辟的特性，我们就把这块空间的值进行打印：

int i = 0;
for(i=0;i<10;i++)
{printf("%d ",p[i]);//*(p+i)
} 
free(p);//使用完也要释放
p=NULL;//别忘了，否则p变为野指针

使用完要记得释放空间和把p置为NULL。

可以看到，打印的结果就是10个0，说明calloc申请来的空间确实会被初始化为0。

malloc没有初始化的动作，效率略高一些。

realloc函数

re是再的意思，所以realloc是调整空间的意思。我们前面说了动态内存开辟来的空间可以变大变小，而变大变小依靠的就是realloc函数。

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

我们再看看参数：

可以看到，ptr指向的是被malloc calloc realloc先前开辟过的空间。（所以realloc是调整）

size就是你需要调整为的空间大小。

返回的是调整之后的内存起始位置。

现在我们可以在刚才calloc开辟空间的基础上进行调整，将其变大为20个整型的空间：

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);}p=(int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//有问题free(p);p = NULL;
}

但这样写，是有问题的，我们不能直接用p来接收realloc的返回值。

在知道为什么之前，我们需要先清楚realloc到底是怎么扩大空间的：

realloc函数在申请空间时，有两种情况：

一、后面后续的空间尚未分配：那么realloc返回旧的地址（也就是参数部分传入的地址）。

二、后面后续的空间已被分配：

1.realloc会在内存的堆区中找一块新的空间，这块空间的大小就是我们想要的新的大小（也就是realloc第二个参数size的大小）；

2.会将旧的数据，拷贝到新的空间；

3.会释放旧的空间（不用手动free了）；

4.最后，返回新的地址。

特殊情况：也有可能扩容失败，返回NULL。

因为有这种特殊情况的存在，所以我们直接将realloc的返回值赋给p不是很好的做法，因为如果开辟失败p变为NULL，我们原本p指向空间的数据也找不到了。

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);}//p=(int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));有问题int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL){p = ptr;//如果ptr不是空指针，就再赋给p}free(p);p = NULL;
}

注意，realloc第一个参数ptr不能乱传，必须是动态开辟的起始地址，不能传动态开辟空间的中间某个位置，也不能传非动态开辟的空间地址。