C语言笔记第14篇：动态内存管理

 1、为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

创建变量
char c = 0;
int a = 0;
int arr[10] = {0};

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的
• 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整

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知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了

当数组创建好后空间大小是不能调整的，一旦创建好数组后数组空间的大小就是固定的，所以才引入了动态内存分配，刚开始可以分配10个整型元素的空间，当这10个空间不够用了，我们就可以继续申请扩容空间容量，继续使用。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2、malloc和free

malloc是用来申请内存的，动态内存开辟的方式有些特殊，开辟的内存空间并不是栈区的空间，而是堆区的空间，所以程序结束时并不会自动销毁并回收该空间，所以就有了free，每次用完该空间就记得使用free将该空间释放掉。不然它将一直占用内存空间。

调用动态内存开辟函数时需要包含头文件#include <stdlib.h>

2.1 malloc

malloc函数的声明：

void* malloc(size_t size);

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，具体在使用的时候由使用者自己来决定
• 如果参数size为0，malloc的行为是标准还是未定义的，取决于编译器

malloc函数的使用：

#include <stdlib.h>
int main()
{
	//申请10个整型的空间 - 40个字节
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)//判断
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	return 0;
}

既然可以申请到空间并且使用，那还需要释放掉该空间，那怎么释放呢？

malloc申请的空间怎么回收呢？

1. free回收

2.自己不释放的时候，程序结束后，也会由操作系统回收

注：动态内存开辟的函数开辟空间都是在堆区上开辟的，内存是分为三个区域：栈区、堆区、静态区

2.2 free

free的函数声明：

void free(void* ptr);

free是用来释放动态开辟的空间的，只需要将这块空间的起始位置的指针传递给free，free可以通过该地址向后释放这块空间。

free函数就是用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数ptr指向的不是动态开辟的，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

注意：free释放的空间仅限于动态内存开辟的空间，必须是堆区的空间

free函数的使用：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	//申请10个整型的空间 - 40个字节
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)//判断
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
    free(p);//使用完该空间调用free释放掉该空间
    p = NULL;//当free掉p指向的空间后这块空间就不能使用了，记得让指针改变指向
	return 0;
}

给free一个指向开辟好的堆区的指针，就可以通过这个指针释放空间。最后不要忘了将指向free释放掉的空间的指针指向NULL，因为它指向的空间已经被free释放，再解引用就是非法访问了，所以要置为NULL。

3、calloc和realloc

3.1 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)

calloc函数的注意事项：

• 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calloc的返回值一定要做检查
• 返回值的类型是void*，所以calloc函数并不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

可以看见calloc的参数比malloc的参数多了一个，calloc和malloc一样，都是动态内存开辟的，那这多出的一个参数有什么不同呢？calloc和malloc的区别又是什么。

malloc和calloc的区别：

1. 参数区别：malloc的参数size是需要动态开辟的字节大小，calloc的参数1 num是需要开辟的元素个数，参数二 size是每个元素的大小。

2. 功能区别：malloc开辟好空间后什么也不管并直接返回该空间的初始地址，而calloc开辟好空间会将空间里全部初始化为0并返回初始地址。

所以它们除了上面不同外，其他地方基本相同：

这两种开辟方式基本上都相同：
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));

我们可以打印一下试试calloc开辟的空间是否初始化为全0：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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]);
	}
	return 0;
}

运行结果：

3.2 realloc

•  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realloc函数就可以对动态开辟内存进行扩容

函数原型如下：

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

• ptr是需要调整的内存地址
• size调整之后新的大小
• 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

假设malloc开辟的空间不够用了，那就可以使用realloc在原有的空间大小开辟出新的空间大小：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int)malloc(20);
	if (ptr != NULL)
	{
		int* tmp = (int*)realloc(ptr, 40);//注意realloc开辟空间需要新的指针来接收,不要用原来的指针来接收
	}
	return 0;
}

realloc在调整内存空间存在两种情况：

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

如果是情况1，后面未分配的空间足够需要开辟的大小，就会在原有的空间的基础上增加开辟空间的大小。

但如果是情况2，后面未分配的空间不够需要开辟的大小，编译器找一个新的空间并会将之前开辟空间里面存储的数据存放进新找到的空间并将原来的空间销毁。

那我们可以用原来接收malloc返回值的指针，来接收realloc新开辟的空间地址吗？

#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(5*sizeof(int));
    if(p==NULL)
    { 
       perror("malloc");
       return 1;
    }
    int* p = (int*)realloc(p,10*sizeof(int));
    return 0;
}

当然不能，如果p来接收新开辟的空间地址，是接收了。但realloc可能也会开辟失败返回NULL，如果用了p来接收，不但没有接收到新开辟空间的地址，而且NULL还弄丢了之前开辟空间的地址。

解决方法：可以再创建一个指针变量，当指针变量接收realloc的返回值时，判断是否是NULL，不是就说明开辟成功了，可以赋值给p。

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int)malloc(20);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
    int* tmp = (int*)realloc(ptr, 40);
    if (tmp != NULL)
	{
		ptr = tmp;
		tmp = NULL;
	}
    else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	return 0;
}

注：realloc函数不仅仅是扩容来使用的，也可以将realloc当malloc使用

realloc函数的第一个参数是一块动态开辟内存的地址，然后通过这个地址继续给这块动态开辟的空间来扩容。但是realloc不仅仅是扩容来使用的，也可以将realloc当malloc使用，比如第一个参数什么地址都不传就传递一个空指针NULL就可以了，realloc函数接收到NULL，就已经不是接收地址在地址指向的空间后面继续开辟，而是会自动在堆区找一块内存空间开辟并返回该空间的地址，大小还是有第二个参数来决定。

#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL,20);
    等价于
    int* p = (int*)malloc(20);
    return 0;
}

总结：

1. 使用malloc 或 realloc 函数开辟的空间不会被初始化为全0，只有使用calloc函数开辟的空间会被初始化为全0。

2. free函数只能释放动态内存开辟的空间，如果传入其他空间的地址会报错。还有当把一个动态内存的地址传给free释放掉这块空间后，要将指向这块空间的指针置为NULL，以免造成非法访问 

3. realloc函数一般是用来扩容空间使用的，但是当传递NULL给realloc函数时，此时的realloc和malloc是等价的，都是直接开辟一块动态内存并返回地址

4、常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

不管是malloc、calloc还是realloc这些函数在 开辟 / 调整 空间失败的时候，会返回NULL，而我们并未判断并解引用则会导致NULL指针解引用操作的错误出现

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);//有可能返回空指针
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

解决方法：每次开辟或调整完空间后判断指针接收到的是不是NULL，提前进行判断并解决

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
    if(p==NULL)//开辟完后进行判断
    {
       return 1;//提前结束程序
    }
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

4.2 对动态开辟的空间越界访问

动态开辟的空间也是有使用范围的，和数组一样，当越界访问时就会报错

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);//只申请了5个整型大小的空间
    if(p==NULL)
    {
       return 1;
    }
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)//解引用访问了20个整型大小的空间，属于越界访问
	{
		*(p + i) = i;
	}
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

解决方法：使用时注意尽量避免越界访问就可以了

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

解决方法：使用free时注意只能传动态开辟的地址就可以了

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
    if(p==NULL)
    {
       return 1;
    }
	p += 1;//拿到跳过一个整型大小的地址
    free(p);
    p = NULL;
	return 0;
}

解决方法：尽量不要改变p地址的指向，如果要改变，提前创建一个指针指向该块动态内存空间的起始位置就可以了

4.5 对同一块动态内存多次释放

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	free(p);//重复释放
	return 0;
}

解决方法：释放完后给指向这块空间地址的指针置为NULL，下一次free这个指针时什么也不会发生

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
    p = NULL;
	free(p);
	return 0;
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
    if(p==NULL)
    {
       return 1;
    }
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

解决方法：你申请的动态内存当不再使用时记得使用free释放该空间

5、柔性数组

也许你从来没听说过柔型数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。

C99中，结构中最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做【柔性数组】成员。

柔性数组：

1. 一定在结构体中

2. 一定是最后一个成员

3. 一定是未知大小的数组（柔型数组）

注：并且柔性数组是需要配合动态内存管理来使用的

例如：

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}type_a;

5.1 柔性数组的特点：

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少要有一个其他成员
• sizeof返回这种结构的大小不包括柔性数组的内存
• 包含柔性数组成员的结构用malloc函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔型数组的预期大小

例如：

#include <stdio.h>
struct st_type
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(struct st_type));//打印结果为：4
    return 0;
}

5.2 柔性数组的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct st_type
{
	int i;
	int a[];
};
int main()
{
	struct st_type* p = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	p->i = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p->a[i] = i + 1;
	}
	//我们觉得给柔性数组10个整型空间不够怎么办？我们可以使用realloc增容
	struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(p, sizeof(struct st_type) + 15 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//使用
	// ...
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

本篇C语言笔记到了这里也就结束了，我们下一篇笔记再见-