动态内存管理＜C语言＞

导言

        在C语言学习阶段，指针、结构体和动态内存管理，是后期学习数据结构的最重要的三大知识模块，也是C语言比较难的知识模块，但是“天下无难事”，只要认真踏实的学习，也能解决，所以下文将介绍动态内存管理涉及到的一些函数以及概念。

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目录

导言

为什么存在动态内存管理

malloc和free

malloc

 free

calloc和realloc

calloc

 realloc

常见的关于动态内存管理错误

1.对可能是NULL指针的引用

 2.对不是动态开辟的内存进行释放

3.对动态开辟的内存进行越界访问

4.使用free释放动态开辟内存的一部分

5.忘记内存释放（忘记free），造成内存泄漏

例题

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为什么存在动态内存管理

int a;
char arr[10];

这是我们常用的用于向内存申请空间的办法，但是：

●空间开辟的空间是固定的

●数组在申明时，数组大小一旦确定，申请的内存空间不可变

在实际编写程序时，可能我们对于内存空间的需求不是固定，那么使用动态内存管理自己申请空间、自己释放空间就是一个很好的选择。

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malloc和free

malloc

函数参数及其返回值

void* malloc(size_t size);
//申请size个字节的空间
//返回值，成功申请：返回开辟空间的首地址、失败：返回NULL

注意点

●返回值是void*，那么我们在实际使用时，应把它强制转化为我们需要的类型。

●与局部变量不同，开辟空间在堆区（如数组在栈区）

●malloc不会将内存空间初始化为0，这是与最大calloc区别！

●动态内存可调整（通过realloc）

使用举例：

 free

函数参数及其返回值

void free(void* ptr);
//释放动态内存申请的ptr指向的空间

注意点

●只能用来手动释放动态申请的空间，如果不是结果是未定义的

●释放空间后，只是将权限交还于操作系统，指针还指向着地址（悬空指针），应该手动将其置为NULL

●如果释放指针是NULL，那么什么也不做。

 使用举例：

#include<stdlib.h>
int main() {
	int* ptr = NULL;
	int count = 0;
	scanf("%d", &count);
	ptr = (int*)malloc(count * sizeof(int));
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

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calloc和realloc

calloc

函数参数及其返回值

void* calloc(size_t num,size_t size);
//申请num个size个字节的空间，并初始化为0
//返回值，成功申请：返回开辟空间的首地址、失败：返回NULL

注意点

●开辟空间并全部初始化为0

●两个参数（num个size字节）

●其他与malloc类似

使用举例：

 realloc

 函数参数及其返回值

void* realloc(void* ptr,size_t size);
//ptr是要调整的内存地址
//size是调整之后的大小
//返回值，成功申请：返回调整空间的首地址、失败：返回NULL

使用举例：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main() {
	int count;
	scanf("%d", &count);
	int* ptr = (int*)calloc(count, sizeof(int));//申请count个int大小的空间
	if (ptr) {//判断是不是NULL：是否申请成功
		for (int i = 0; i < count; i++)
			ptr[i] = i;//赋值：从0开始到count-1步为1的序列
		for (int i = 0; i < count; i++)
			printf("%d ", ptr[i]);
	}
	printf("\n");
	printf("调整前的地址：%p\n", ptr);//观察动态（realloc）调整前的地址
	int* p = (int*)realloc(ptr, (count + 5) * sizeof(int));
	//申明一个新指针来接收，防止调整失败返回NULL，数据丢失，调整为多5个int大小的地址
	if (p)//判断是否是NULL：是否调整成功
		ptr = p;
	printf("调整后的地址：%p", ptr);//观察动态（realloc）调整后的地址
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

先开辟10个int字节大小空间的运行结果：

 先开辟20个int字节大小空间的运行结果：

注意点

●参数size为0时，返回值是NULL，并将ptr的内存释放，这是未定义的行为，在不同的编译器上不能保证

●如果ptr参数为NULL,会动态开辟一个新的内存空间,此时realloc函数的作用等同于malloc

●这个函数调整空间时会把数据移到新的内存空间内（实际上，有一种情况不会，但是为了代码的健壮性和可移植性，我们最好这样定义）

两种情况：

①原有地址后面有足够的空间容纳调整后的空间

②原有地址后面没有足够的空间容纳调整后的空间

其实在前面的使用举例中我们已经观察到：

先开辟10个int字节大小空间的运行结果（第一种情况）

        直接在原地址后面开辟新空间

先开辟20个int字节大小空间的运行结果（第二种情况）

        找到一块能容纳调整后的空间的地址，将数据移动到其中

关于参数size为0时的举例：

因为我们没有办法直接观察一块动态开辟的内存是否被释放，且这种size为0行为是未定义的，所以我们只能观察它的返回值

 

 关于参数ptr是NULL时的情况

此时realloc等同malloc

注意：动态内存管理的4个函数都包含在<stdlib.h>中

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常见的关于动态内存管理错误

1.对可能是NULL指针的引用

 

 2.对不是动态开辟的内存进行释放

// 2.对不是动态开辟的内存进行释放
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int a = 0;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.对动态开辟的内存进行越界访问

//3.对动态开辟的内存进行越界访问
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
	p++;
	*p = 1;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4.使用free释放动态开辟内存的一部分

//4.使用free释放动态开辟内存的一部分
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(4*sizeof(int));//动态开辟4个int大小的空间
	p++;//指向第二个元素
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

5.忘记内存释放（忘记free），造成内存泄漏

//5.忘记内存释放（忘记free），造成内存泄漏
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
	return 0;
}

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例题

1.

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main() {
	Test();
	return 0;
}运行会咋样

p虽然在GetMemory函数中开辟了内存，但是在出函数时，该地址被销毁，所以str还是NULL指针，对NULL指针进行赋值是一个未定义行为。（传值调用而没有使用传址调用）

改正（二级指针）：

void GetMemory(char** p)//使用二级指针接收
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);//传入指针的地址
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main() {
	Test();
	return 0;
}

改正（将开辟的空间返回）:

2.

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main() {
	Test();
	return 0;
}//运行结果？

GetMemory函数返回了一个地址，但是这个地址出了函数，权限已经收回给了操作系统，str接收的是一个野指针，并将它打印出来，这种行为是未定义的，可能造成错误。（说到底是栈空间返回会被销毁的问题）

我们知道只要是函数内的变量都是栈空间申请的空间，在出函数时，都会被回收，但是动态内存管理申请的空间，必须要手动释放，所以在函数中我们使用动态内存申请的地址是不会被收回的（堆区申请），所以我们尝试改正时，在函数内部使用动态内存申请，并返回。

改正：

char* GetMemory(void)
{
	char* p = (char*)malloc(20);
	strcpy(p, "hello world!");
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main() {
	Test();
	return 0;
}

3.

//3
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
int main() {
	Test();
	return 0;
}//运行结果，以及问题

没释放空间，内存泄漏

改正：

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
    free(ptr);
    ptr=NULL;
}
int main() {
	Test();
	return 0；
}

使用了已经被释放的内存