C语言——动态内存管理

0. 思维导图：

1. 为什么存在动态内存分配

	int a = 10;//在栈空间开辟四个字节
	int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40个字节的连续空间

此类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，必须指定数组长度，它所需要的内存在编译时分配（变长数组是不能改变数组的大小的，仅仅是允许数组的大小可用变量指定）。

但是对于空间大小的要求，有时候是需要在程序运行的时候才知道的，这时就需要使用动态内存开辟了。

2. 动态内存函数介绍

C语言分为3种内存池：栈区、堆区、静态区，而我们的动态内存函数，是属于堆区。

2.1 malloc和free

malloc参数及返回类型：
void* malloc (size_t size);

malloc可以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(所以在使用malloc时，一定要先检查返回值，看是否开辟成功)。
• 返回值的类型是 *void，具体使用什么类型，由使用者来决定。
• 如果size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
  (该行为毫无意义，就好比找人借钱
  A：兄弟，最近手头有点紧，借点钱花花。
  B：借多少？
  A：借0元
  B：滚！)

因为malloc是在堆区上申请的内存空间，使用完毕之后需要将内存归还，所以C语言提供了内外一个free函数，专门用来做动态内存的释放和回收的。

free的参数及返回类型：
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内存开辟的，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。

malloc和free的声明都在stdlib.h头文件中，在使用时需引用头文件。
代码示例：

#include
#include
#include
int main()
{
	//申请40个字节，用来存放10个整型
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)//判断ptr是否申请成功
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i + 1;
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//释放内存
	free(ptr);
	//如果不将ptr设置为空，则ptr将是野指针，所以需要我们主动置空
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.2 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。

calloc的参数及返回类型：
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0。

代码示例：

#include
#include
#include
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i + 1;
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

malloc申请到的空间，没有初始化，直接返回起始地址；
calloc申请到空间之后，会把空间初始为0，再返回起始地址。
如果申请的内存要求初始化，那么可用很方便使用calloc函数。
不过，因为malloc不需要初始化，所以整体来说malloc的效率会稍高于calloc。

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存的管理更加灵活，有时申请的空间大了，有事申请的空间又小了，那么为了合理的内存分配，就会使用realloc对动态内存就行调整。

realloc的参数及返回类型：
void* realloc (void* ptr, size_t size);

• ptr是需调整的内存地址；
• size调整之后的新大小；
• 返回值为调整之后的起始地址；
• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还好将原来内存中的数据移动到新的空间。
• realloc调整内存空间存在的两种情况：
  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
  
  代码示例：

#include
#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	//再向内存申请5个整型的空间
	//此时用新的指针地址接收，防止realloc申请失败，把原有的地址覆盖
	int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	for (i = 5; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int*p = (int*)malloc(INT_MAX);
	//未对malloc的返回值进行判断
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 0;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.2 对动态内存开辟的空间越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);//向内存申请了100个字节空间
	if (p = NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		//此时访问的是100个整型的空间，应该需要400个字节
		//越界访问
		*(p + i) = 0;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 0;//栈区
	int* p = &a;

	free(p);
	p = NULL;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 25; i++)
	{
		*p = i;
		//p的地址发生改变
		p++;
	}
	free(p);//p未指向起始地址
	p = NULL;
	return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	//...
	//将p释放，但未置空，此时p为野指针
	//如果将p释放后置空，那么在释放一次，free的参数为null，函数什么都不做
	free(p);
	return 0;
}

3.6 动态内存开辟忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏，程序会一直吃内存（如下图）

使用malloc和free一定要成对使用。

4. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存区域划分：

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
3. 数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。