C语言【动态内存】-编程知识

1.为什么要有动态内存

我们现在掌握的内存开辟方法有：

int val = 20;//在栈空间开辟4个字节
char str[10]={0};//在栈空间开辟10个字节的连续的空间

但是上述的方式有两个点要注意：

1.空间开辟的大小是固定的
2.数组在申明的时候，一定要指定数组的长度(就算是变长数组也是先给变量赋值，再根据变量的大小，来开辟空间)，数组空间一旦确定了大小是不能调整的

但是我们在实际上对于内存的需求方式，绝不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小是在程序运行的时候才能知道，数组是在编译时开辟空间的，这是就不能满足需求了。
这时C语言就引入了动态内存开辟，让程序员可以自己根据需求来申请和释放空间这样就比较灵活。

2.动态内存函数

要想学会动态开辟内存就必须掌握这四个函数malloc free calloc realloc。

它们的头文件都为<stdlib.h>
他们开辟空间的大小单位都为字节。

2.1 malloc

函数原型：void* malloc(size_t size);
该函数向内存申请一块连续何用的空间，并返回指向这块空间的指针。

如果开辟成功，返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则会返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。

因为返回类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟空间时是什么类型，在实际使用时类型是有使用者决定的。

如果参数size为 0，malloc的行为是标准未定义的，结果取决于编译器。

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdilb.h>
int main()
{int* parr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (parr == NULL){perror("malloc");exit(1);}for (int i = 0; i < 10; i++){//初始化*(parr + i) = i + 1;//打印printf("%d ", *parr + i);}return 0;
}

注意：malloc开辟的空间并未进行初始化，里面是随机值

#include<stdio.h>
#include<stdilb.h>
int main()
{int* parr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (parr == NULL){perror("malloc");exit(1);}for (int i = 0; i < 10; i++){//初始化*(parr + i) = i + 1;//打印printf("%d ", *parr + i);}return 0;
}

#include<stdio.h>
#include<stdilb.h>
int main()
{int* parr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (parr == NULL){perror("malloc");}for (int i = 0; i < 10; i++){//未进行初始化//打印printf("%d ", *parr + i);}return 0;
}

结果如下：

这些动态开辟的空间是存放在哪里呢？

如图：
在这里插入图片描述

2.2 free

申请了空间在使用完的时候肯定是要还回去的嘛，那怎么还呢？

C语言提供了另外一个函数free，这是专门用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：
void free(void* ptr)

如果参数ptr指向的空间不是动态内存的时候，free函数的行为是未被定义的
如果参数ptr是NULL指针，那么free函数什么都不会做

注意：传递给free函数的参数是要被释放空间的起始地址
代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int* parr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (parr == NULL){perror("malloc");}for (int i = 0; i < 10; i++){//初始化*(parr + i) = i + 1;//打印printf("%d ", *parr + i);}//只用完动态申请的空间要进行释放free(parr);parr = NULL;return 0;
}

free仅仅是将空间的使用权限还给了操作系统；
但parr还指向原来的地址，这就成为野指针；
为了避免成为野指针，及时将parr置为NULL。

如果一直不用函数free来释放申请的空间，这样很可能会造成内存泄漏！！！

2.3 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);

函数的功能是将num个大小为size的元素开辟一块空间，并且会将开辟空间的每个字节初始化为0。
函数calloc和函数malloc的区别就是calloc会在返回地址之前，把申请空间的每个字节初始化为0。

由于函数malloc比函数calloc少一步(将内存初始化)，所以malloc比calloc更快，如果更追求效率的话可以使用malloc，如果不想自己初始化的话可以使用calloc。

代码如下：

int main()
{int* pca = (int*)calloc(10,sizeof(int));if (pca == NULL)//判断是否开辟失败{perror("calloc");exit(1);//直接退出程序}printf("calloc: ");for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *pca + i);}printf("\n\n");int* pma = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (pma == NULL){perror("malloc");exit(1);}printf("malloc: ");for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *pma + i);}return 0;
}

结果如图：

2.4 realloc

realloc函数能让动态内存管理更加灵活。

有些时候我们会发现我们申请的空间太小了，有时候又感觉申请的空间太大了，那么为了合理的使用空间，我们就会对申请的空间大小进行灵活的调整，那么realloc函数就能做到对动态空间大小的调整。

函数原型如下：
void* realloc(void* ptr, size_t size)

ptr是要被调整的内存地址
size是调整之后该内存的大小
返回值为调整之后的内存空间的起始位置

2.4.1 realloc在调整内存空间有三种情况

原空间后面有足够的空间用来调整。
原空间后面没有足够空间用来调整，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。
空间调整失败，返回NULL(这是最坏的情况)
如图所示

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{//开辟int* parr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (parr == NULL){perror("malloc");}//使用for (int i = 0; i < 5; i++){*(parr + i) = i + 1;}//假设要多插入5个int类型的数据//这时空间就不够了，需要调整int* parr = (int*)realloc(parr, 10 * sizeof(int));//上述代码合适吗//不合适，因为万一调整失败，会返回NULL//这时我原来开辟的空间就找不到了//所以正确的方法应该如下//先申请调整空间int* ptr = (int*)realloc(parr, 10 * sizeof(int));//调整成功if (ptr != NULL){//将申请的空间地址赋给parr(如果是情况二，parr的原空间已经被释放了)parr = ptr;}else{perror("realloc");}//处理要求……free(parr);return 0;
}

上述代码int* parr = (int*)realloc(parr, 10 * sizeof(int));代码合适吗?
完全不合适!!! 因为万一调整失败，会返回NULL；
这时我原来开辟的空间就找不到了。
所以正确的realloc使用方式是先创建一个指针变量来接收开辟的空间，如果判断ptr是否开辟成功，如果开辟成功。将ptr赋给parr。

如果开辟失败parr指向的原空间也能继续使用。

补充：realloc也可以完成malloc的功能;
如果传的是NULL指针，realloc就会开辟一块新空间。

3.常见的动态内存的错误

3.1对NULL指针的解引用

具体如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* ptr = (int*)malloc(INT_MAX);*ptr = 20;//如果ptr是NULL，就会有问题return 0;
}

在这里插入图片描述
解决方法：开辟空间后，要第一时间判断是否空

3.2对动态开辟空间进行越界访问

具体如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>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);
}int main()
{test();return 0;
}

解决方法：控制好访问的范围

3.3对非动态开辟空间使用free释放

具体如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int a = 0;int* p = &a;//处理……free(p);//这样行吗，肯定不行！！！//a是局部变量，他开辟的空间是放在栈区的，而不是堆区的//free释放的是realloc、malloc、calloc开辟的空间(动态内存空间是在堆区的)return 0;
}

//这样行吗，肯定不行！！！
//a是局部变量，他开辟的空间是放在栈区的，而不是堆区的
//free释放的是realloc、malloc、calloc开辟的空间(动态内存空间是在堆区的)

在这里插入图片描述
编译都无法编译过去

解决方法：不要对非动态开辟空间进行释放！！！

3.4使用free释放的并不是动态开辟空间的起始位置

具体如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(100);p++;free(p);//p不再指向动态内存的起始位置return 0;
}

在这里插入图片描述
同样也无法编译过去
解决方法：传给free的时候确保是空间的起始地址

3.5对同一块内存进行对此释放

具体如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);free(p);return 0;
}

在这里插入图片描述
同样还是无法编译过去

解决方法：在第一次释放后及时的给p赋NULL

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);//解决方法p = NULL;free(p);return 0;
}

前面也说过了，如果传给free函数的是NULL，free不会进行如何的操作。

3.6忘记释放动态开辟空间(内存泄漏)

具体如下：

void test()
{int* p = (int*)malloc(100);if (NULL != p){*p = 20;}
}
int main()
{test();//出来后test就被销毁了，就无法找到p所指向的空间了while (1);
}

忘记释放不再使用的空间会造成内存泄漏
释放动态内存有两个方法：

在不用的时候使用free函数进行释放
如果一直没有被free释放，当程序运行结束后，会由操作系统来回收
解决方法：
1.谁申请的空间谁释放，如果在函数里，那么在出函数前记得释放malloc/calloc/realloc要和free成对出现。

2.如果不能释放(后续会用到)，要告诉下一个使用者，记得释放动态开辟空间。

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。