C语言-动态内存管理（malloc、calloc、realloc）

1.内存布局

内存布局的简单描述就是栈区、堆区、静态区

1）栈区：是来放置局部变量和函数形参等临时变量的。

2）堆区：是用来动态内存开辟的，malloc、calloc、free、realloc等函数都是在堆区上进行操作的。

3）静态区：是来放置全局变量、静态变量的。

今天所要描述的知识点都是在堆区上进行操作的。

2.动态内存函数

2.1 malloc

2.1.1 malloc是什么

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。

1）如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。

2）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。

3）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。

4）如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

2.1.2 如何用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p+i) = i;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

2.2 free

2.2.1 free是什么

free函数用来释放动态开辟的内存。需要注意以下两点：

1）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。

2）如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

2.2.2 如何用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

需要注意的是：free函数不会把ptr指针主动置为NULL指针，因此我们需要主动的把ptr指针置为NULL指针，不然当动态开辟的内存空间经过free函数释放，还给操作系统之后，再调用ptr将会导致非法访问内存的问题。一般来讲，free都是和其他动态开辟内存空间函数成对出现。

2.3 calloc

2.3.1 calloc是什么

calloc 函数也用来动态内存分配。它只有两点与malloc不同，其它功能与malloc相似，两点如下：

1）参数不同，calloc有两个参数，第一个参数为 num，第二个是size表示创建 num 个大小为 size

2）把开辟的空间的每个字节初始化为0。

2.4 realloc

2.4.1 realloc是什么

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。

1. ptr 是要调整的内存地址 2. size 调整之后新大小 3. 返回值为调整之后的内存起始位置。 4. 如果开辟到新的空间上，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。 5. realloc在调整内存空间的是存在两种情况： 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 3）堆区上没有那么大的空间进行开辟

2.4.2 realloc如何使用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
		return;
	}
	int* temp = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (temp == NULL)
	{
		perror("main");
		return;
	}
	p = temp;
	free(p);
	p = NULL;
	temp = NULL;
	return 0;
}

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

3）堆区上没有那么大的空间进行开辟 realloc 有可能找不到合适的空间，来调整大小这时就返回NUL

2.4.3 realloc可以实现与malloc同样的功能

int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
		return;
	}
	free(p);
	p = 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

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 10;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
} 

3.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		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);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
   int *p = (int *)malloc(100);
   p++;
   free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
   int *p = (int *)malloc(100);
   free(p);
   free(p);//重复释放
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

内存泄漏是一个很严重的一个问题，由于test函数中的指针变量p生命周期仅限于test函数，当函数调用结束之后，p就销毁，但只要主函数没有结束，我们动态开辟的内存空间就不会释放，但是指向这个空间的地址我们已经丢失，再也没有能找到这个空间的方法，导致了我们的内存泄漏。 因此：不再使用的动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

4.相关题目

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;
}

两个问题： 1. str传给函数GetMemory是值传递，因此在函数内部GetMemory所创建的变量p只是str的一份临时拷贝，并不会对str的值有所改变，当函数GetMemory调用之后str仍然是NULL，strcpy会失败。 2. 函数GetMemory内部所创建的动态内存空间，未进行释放，当函数调用完之后，造成了内存泄漏。

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

问题是函数GetMemory中所创建的数组p在函数调用完之后便被销毁，虽然数组的首元素地址传给了str，但这个空间已经还给了操作系统，所以str成为了野指针。这一类问题统归为返回栈空间地址的问题。

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;
}

问题是没有对动态开辟的内存空间进行及时的释放

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

函数Test中str所指向的动态内存空间被free释放了，因此当strcpy(str, "world")会对内存空间进行操作，会出现错误。