C语言进阶——动态内存管理（上）_网站优化分享

一、前言

小伙伴们好呀，今天为大家带来的是动态内存的相关知识，主要围绕动态内存管理相关函数和常见错误并伴有一定的题目练习，希望能够为读者们带来一定的收获。

二、正文

1.内存的分布

在具体讲解动态内存管理之前，需要先给小伙伴们铺垫一下内存空间的分布（简略版）。在之前的学习中，我们认识了局部变量，全局变量等，那它们在内存中处于何种位置呢？

在内存中可以粗略地分为三大块：栈区、堆区和静态区。栈区中存放的大多是一些局部变量，函数的形式参数；而我们下面所要学习的与动态内存管理相关的函数则存在与堆区；最后的静态区则存放静态变量与全局变量。

C语言进阶——动态内存管理（上）,第4张

2.为什么存在动态内存开辟

在了解完大致的内存分布后，接下来就是动态内存管理了。我们都知道无论是创建一个整形变量亦或是一个指定大小的数组，都是需要向内存申请相应大小的空间，也就是在内存里开辟空间。而目前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[20] = { 0 };	//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

我们会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的时候进行分配

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况，有时候我们所需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那么采用数组的编译时就开辟空间的这种方式就不能满足这种需求。这个时候，就只能试试动态内存开辟了。

3.动态内存函数的介绍

而C语言正好提供了与动态内存开辟相关的函数，下面就即将展开相关函数的学习。

3.1 malloc

void* malloc(size_t size);

这个函数是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

●引用的头文件：

●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，则返回一个指向NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查

●返回的类型是void*,所以malloc函数并不只知道开辟空间的类型，具体在使用的时候由使用者自己来决定

●如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器

下面演示一下malloc函数的简单使用：

//malloc函数使用示例
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	//申请40个字节，用来存放10个整型
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//存放1-10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//打印
	for(i = 0; i < 10;i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

C语言进阶——动态内存管理（上）,第5张

注：当申请完空间后要再主动地返回空间，虽然程序结束操作系统会自动回收，但是如果程序一直不结束，那么这部分空间就会一直被闲置，那么如何回收呢？

3.2free

void free (void * ptr);

C语言中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。free函数用来释放动态内存开辟的内存。

●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

●如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做

#include 
int main()
{
	//申请40个字节，用来存放10个整型
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//存放1-10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//打印
	for(i = 0; i < 10;i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//free是释放申请的内存
	free(p);
	return 0;
}

C语言进阶——动态内存管理（上）,第6张

但是我们发现虽然我们已经用free释放了申请的空间，但是p仍存储着指向我们所申请的空间的地址，也就是存在非法访问的的风险，所以一般情况下，当我们使用free释放动态内存之后，还要将指向那块空间的指针置空。

//malloc函数使用示例
#include 
#include 
#include 
int main()
{
	//申请40个字节，用来存放10个整型
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//存放1-10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//打印
	for(i = 0; i < 10;i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//free是释放申请的内存
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.3calloc

void * calloc(size_t num,size_t size);

除了malloc之外，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

●calloc的功能是为num个大小为size的元素开辟空间，并且把空间的每个字节初始化为0

●calloc与malloc的区别只在于在calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化全0

#include 
int main()
{
	int* p = calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL!=p)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

C语言进阶——动态内存管理（上）,第7张

那么在开辟动态内存空间的时候在mallo和calloc两个函数中该如何选择呢？主要是根据自己的需求来考虑。

●malloc无需初始化直接返回地址——效率比较高

●calloc会自动初始化为0

3.4realloc

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

●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relloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整

下面具体来认识下realloc函数

●ptr是要调整的内存地址

●size为调整之后新的大小

●返回值为调整之后的内存其实位置

●这个函数在调整原内存大小的基础上，还会将原来内存中数据移动到新的空间

●ralloc在调整内存空间的时候存在两种情况：

（1）原有空间之后有足够大的空间

（2）原有空间之后没有足够大的空间

C语言进阶——动态内存管理（上）,第8张

那么realloc会如何处理这两种情况呢？

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，返回的是原有的起始地址

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，拓展的方法是：在对科技上另找一个合适大小的连续空间来使用，这样的话函数返回的是一个新的内存地址

由于上述的两种情况，当我们使用realloc函数就和之前有一些区别。那么具体该如何使用，具体代码如下：

#include 
#include 
#include 
//realloc的使用方式1
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		perorr("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	//不够了，增加5个整型的空间
	p=realloc(p, 10 * sizeof(int));
	//继续使用空间
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
//realloc的使用方式2
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		perorr("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	//不够了，增加5个整型的空间
	int* ptr = realloc(p, 10 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	//继续使用空间
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	ptr = NULL;
	return 0;
}

第一次使用的小伙伴在使用realloc函数的时候很有可能就是按照第一种方式来写的，而第一种方式和第二种方式的区别在于对realloc函数返回的指针的接受方法不同。前者是直接用第一次开辟的空间的指针来接受，而后者则是使用了一个新指针来接受返回的指针。

那么到底哪种方式更好呢，在认识到realloc函数返回的不同情况下，方式2是一种更好的情况。若是采取方式1，一旦realloc函数扩容失败，就会返回一个空指针，而且会把原来的指针置空，相当于把原来的数据丢失了，可以说是很危险的一种情况，而方式2恰恰避免了这种情况。

4.常见的动态内存的错误

在掌握了动态内存函数的使用方法之后，可能有的小伙伴在后续的书写中还会遇到代码错误的问题，以下列举了在使用动态内存函数会出现的常见错误，来帮助大家更好的规避错误，写出优秀的代码。

4.1对空指针的解引用操作

//对NULL指针的解引用操作
void text1()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;//如果p的值是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
void text2()
{
	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);
	p = NULL;
}

4.3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
void text3()
{
	int a = 0;
	int* p = &a;    
	free(p);    //释放错误
}

4.4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
void text4()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);	//p不在指向动态内存的起始位置
	p = NULL;
}

4.5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(100);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	//释放
	free(p);
	//..
	free(p);
	return 0;
}

4.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

//动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
void text()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//使用
	//......
}
int main()
{
	text();
	//..
	return 0;
}

在这种情况下，一旦第一次忘记释放，第二想再释放都释放不了，除非程序结束自动释放。那么有什么好的方法来避免上述情况吗？

//第一层保障：malloc和free成对使用
void text()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	free(p);
	p = NULL;
}
int main()
{
	text();
	//....
	return 0;
}
//第二层：将指向动态开辟内存的指针返回去，谁接受谁后面去释放，所以这种函数一定要写注释
int* text()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	return p;
}

三、结语

到此为止，关于动态内存管理的讲解就已完成一部分了。

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