为什么存在动态内存管理

我们知道内存开辟的方式由：

上面图片中开辟空间的方式有两个特点：

1.空间开辟大小是固定的。

2.数组在声明的时候，必须指定数组的长度（即大小），它所需要的内存在编译时就已经分配了，不可再改变。

但是对于空间的需求，不仅仅时上述的情况。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。

这个时候，我们就需要动态内存分配了。

而变长数组是不能改变数组大小的，它仅仅允许你数组的大小可以用变量来指定。

比如：

//变长数组
int main()
{
  int arr[10];
  int n = 0;
  scanf("%d", &n);
  int arr[n];//一旦把这个变长数组创建好以后就不能够改变了。
  //变长数组不是说数组可大可小。而是我可以通过输入的方式，根据用户的需求输入进去。
}

而动态内存管理的意思就是：你向内存中申请了一块空间，你觉得不够，我们便可以让这块空间再大一些。你觉得多了，我们就可以让它小一点。这样就很灵活。

动态内存函数的介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc(size_t size);

这个函数向内存申请一块连续使用的空间，并返回指向这块内容的指针。

1.如果开辟成功，则返回一个指向开辟空间的指针。

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的行为是标准未定义的，取决于编译器。（把编译器整不会了）

int main()
{
  //申请40个字节，用来存放10个整型
  int* p = (int*)malloc(40);//申请的这40个字节是在内存中是连续的
  if (p == NULL)
  {
  printf("%s\n", strerror(errno));
  return 1;
  }
  //存放1-10
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  *(p + i) = i + 1;
  }
  //打印
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  printf("%d ", *(p + i));
  }
  free(p);//释放申请的内存
  p = NULL;
  return 0;
}

C语言提供了另外一个函数free，专门用来做动态内存的释放和回收。

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。
如果函数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

内存释放前：

释放之后：

发现指针p依然指向那块开辟的空间的起始地址（但此时空间已经释放了），故需要我们主动把指针p置为NULL

calloc

C语言还提供了一个函数叫colloc，calloc函数也用来动态内存分配。原型如下：

voi* 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。

//malloc  calloc都是在堆区上申请空间
//空间使用完后都要释放
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (NULL == p)
  {
  perror("calloc");
  return 1;
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  printf("%d ", *(p + i));
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;//防止p变为野指针
  return 0;
}

我们对比一下malloc申请到的空间。

```c
int main()
{
  //申请40个字节，用来存放10个整型
  int* p = (int*)malloc(40);//申请的这40个字节是在内存中是连续的
  if (p == NULL)
  {
  printf("%s\n", strerror(errno));
  return 1;
  }
  //存放1-10
  int i = 0;
  /*
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  *(p + i) = i + 1;
  }*/
  //打印
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  printf("%d\n", *(p + i));
  }
  free(p);//释放申请的内存
  p = NULL;
  return 0;
}

通过对比我们发现：1.malloc申请到的空间，没有初始化，直接返回起始地址。

2.而calloc申请好空间后会把空间初始化为0，然会返回起始地址。

因此，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函数完成任务

realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时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内存大小的调整。

函数原型：

void realloc(void* ptr,size_t size);

ptr是要调整的内存地址
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在扩容的时候如果失败的话，直接返回空指针。
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。

因此，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：当时情况2的时候，原有空间之后没有足够多大的空间时，扩展的方法时，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。

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
  perror("malloc");
  return 1;
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
  *(p + i) = 1;
  }
  //不够了，增加5个整型的空间
  int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
  if(ptr != NULL)
  {
  p = ptr;
  }
  //继续使用10个整型
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  printf("%d ", *(p + i));
  }
  //释放空间
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意有一种特殊情况：

int main()
{
  int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//此时跟malloc(40);类似,功能就相当于malloc
  return 0;
}

#include<stdio.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  return 0;
  }
  //使用
  int* p2 = realloc(p, 80);
  if (p2 != NULL)
  {
  p = p2;
  }
  return 0;
}

这是realloc去调整原来的空间，其实不用这么麻烦的，realloc函数可以直接实现malloc函数的一些功能的。realloc直接开辟空间也是可以的。即：int* p = (int*)realloc(NULL, 40);。

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

void test()
{
  //1.对NULL指针解引用操作
  int* p = malloc(40);
  *p = 10;//malloc函数一旦开辟失败，就有可能对空指针进行解引用
}

所以每次malloc函数开辟空间之后就应该对p进行相关的判断。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
void test()
{
  //1.对NULL指针解引用操作
  int* p = malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  printf("%s", strerrno(errno));
  }
  //判断完成之后再继续使用
  *p = 10;//malloc函数一旦开辟失败，就有可能对空指针进行解引用
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
  //2.对动态开辟内存的越界访问
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  return 0;
  }
  int i = 0;
  //越界
  for (i = 0; i <= 10; i++)
  {
  *(p + i) = i;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

对非动态开辟内存使用free

//对非动态开辟内存使用free
int main()
{
  int a = 10;
  int* p = &a;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  return 0;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  *p++ = i;
  }
  //回收空间
  free(p);
  return 0;
}

对同一块动态内存的多次释放

//对同一块动态内存的多次释放
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  return 0;
  }
  //使用
  //释放
  free(p);
  //...
  free(p);
  return 0;
}

那我们如何开辟多次释放的现象呢？

首先要保持一个原则：谁开辟谁回收，谁申请谁回收。如果做不到，令当别说。

如果做得到，要防止自己对对同一块动态内存的多次释放。

//对同一块动态内存的多次释放

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
  return 0;
  }
  //使用
  //释放
  free(p);
  //....
  p = NULL;
  free(p);//如果此时的p是空指针的话，我们不对它进行任何的操作
  //这也是free函数的一个特点
  return 0;
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include<stdio.h>
#include<Windows.h>
int main()
{
  while (1)
  {
  malloc(1);
  }
  return 0;
}

动态内存管理(万字讲解)（1）