C语言：动态内存管理

为什么要有动态内存管理

内存分为栈区、堆区、静态区，每个区存放的变量如下图：

目前我们掌握的内存开辟方法有：
创建结构体

struct s
{
int i;
int c;
};

创建一些变量：

int x;
int u[10];
char l;

还有创建联合等……
但通过观察可得这些都是通过创建变量来开辟空间，而且一旦开辟之后空间大小就不可再更改。
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能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。
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。
那怎么开辟动态空间呢？
C语言为我们提供了四个函数，分别是：
动态内存开辟的函数：malloc
动态内存的释放和回收:free
动态内存分配:calloc
更改动态内存大小：realloc

malloc

头文件：<stdlib.h>

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。
• size_t size以字节为单位，开辟多少个字节的空间。
• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使⽤的时候使用者自己来决定。
• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的（就是不知道会出现什么状况），取决于编译器。
例：开辟一个40个字节的空间

malloc(40);
malloc(10*sizeof(int));

怎么使用开辟的空间呢？
将void指针强转成int，然后通过指针的形式访问空间。

int* p=malloc(40);

当然，不一定就非得是int*,具体看编程需要。

free

头文件:<stdlib.h>
C语⾔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，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数⽤来释放动态开辟的内存。
• 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的。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
使用案例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 int* ptr = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
 {
 int i = 0;
 for(i=0; i<num; i++)
 {
 *(ptr+i) = 0；
 }
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
 ptr = NULL;
 return 0;
}

我们都知道变量的创建都有自己的作用域和生命周期，局部变量在出了定义它的程序范围后就会自动回收空间，全局变量则是整个程序运行完后回收空间。
我们使用malloc创建的动态内存也是，在程序运行完后就会自动回收，有的人就会问既然已经自动回收了，我们为什么还要用free来回收？
原因：
节省空间的无效占用与浪费，我们创建了一个动态内存来存放数据，当我们使用完后并确定以后不会在使用时，及时回收空间，那这些回收的空间就可以为后面的代码所使用，但我们不用free回收，这些内存就会一直占用不能重新使用。
倘若我们的代码很简短还好，但是如果程序很长很长呢？我们的内存是有限的，若是每次创建都不回收，那我们的内存就一定够用吗？没人可以确定。
所以在C语言里创建了动态内存后使用完一般都会即使回收。

calloc

头文件：<stdlib.h>
calloc 函数也⽤来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
具体操作如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
  int i = 0;
  for(i=0; i<10; i++)
  {
   printf("%d ", *(p+i));
  }
 }
 free(p);
  p = NULL;
 return 0;
}

运行结果如下：

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使⽤calloc函数来完成任务。

realloc

头文件：<stdlib.h>
• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 有时会我们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 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：

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

• ptr 是要调整的内存首地址
• size 调整之后新大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 这个函数调整在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。
• realloc 在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1：原有空间之后有⾜够⼤的空间
情况2：原有空间之后没有⾜够⼤的空间

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。
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，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。
大家看一下下面的这段代码可行吗？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 //业务处理
 }
 else
 {
 return 1; 
 }
 //扩展容量
 
 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？) 
 return 0;
}

事实是不行的，如果我们的空间剩余足够，让我们可以开辟出来我们需要的空间，那直接赋值给指针ptr就没什么问题，但是我们并不知道realloc函数是否真的为我们开辟了我们所需的空间。
假如realloc没有成功创建空间，那根之前的malloc和calloc一样会返回我们空指针，如果直接将空指针传给ptr，那我们原有的空间和数据就会丢失，这样我们既丢失了原有数据还没有开辟新的空间，甚至我们想用free释放原有空间都找不到，赔了夫人又折兵。
正确做法如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 //业务处理
 }
 else
 {
 return 1; 
 }
 //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

先创建一个临时指针用来接收返回值，当判断返回值不是空指针后，再将临时指针的地址传给我们的ptr，就可以避免出现上面说的现象。