C语言黑魔法第三弹——动态内存管理

本文由于排版问题，可能稍显枯燥，但里面知识点非常详细，建议耐心阅读，帮助你更好的理解动态内存管理这一C语言大杀器

进阶C语言中有三个知识点尤为重要：指针、结构体、动态内存管理，这三个知识点决定了我们之后学习数据结构是否顺利，在之前，我们已经讲过指针和结构体这两大内容，今天，我们就来讲解C语言黑魔法最后一弹——动态内存管理。

首先，我们先来看一下动态开辟的空间在内存中的分布，感受一下其中的魅力：

一、为什么存在动态内存分配

int arr[20]={0};

比如上面这个数组，我们申请了80个字节的空间，能够存放20个整型数组，但是在实际应用中，我们可能需要更多的空间，或者是只需要40个字节的空间，这样的话就会造成空间浪费，鉴于上面这些问题，所以就有了动态内存分配，动态内存分配可以让空间得到更大的利用。

二、动态内存函数的介绍

动态内存函数主要是malloc、free、calloc、realloc函数的使用，下面我们就针对这几个函数展开详细讲解：

1、malloc

malloc函数的原型如下：

void* malloc(size_t size);

分配内存空间

malloc函数的作用是开辟一个size字节大小的空间，并返回一个无类型的指针。

malloc函数如果开辟空间成功，返回的指针指向的内存块是未初始化的；

但malloc也有开辟失败的可能，所以在用malloc函数开辟空间时，一定要检查是否开辟成功，避免出错。

具体用法如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int n = 5;
    //开辟n个int类型的空间
    int* ps = (int*)malloc(n*sizeof(int));
    //判断是否开辟成功
    if (ps == NULL)
    {
        printf("空间开辟失败\n");
        return 1;
    }
    //对开辟的动态空间进行操作
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        ps[i] = i * 2;
    }
    //打印结果
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", ps[i]);
    }
    //释放开辟的空间
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

注意事项

• 使用malloc函数分配内存后，一定要在不再需要这块内存空间时使用free函数释放内存，防止内存泄漏。
• 在使用malloc分配内存时，要确保分配的内存空间足够存储所需数据，避免发生缓冲区溢出。
• malloc函数返回的指针类型是void*，需要进行类型转换为实际需要的指针类型。
• 在分配内存时，要考虑到内存对齐的问题，避免因内存对齐导致的性能损失。
• malloc函数开辟的空间时一个完整的空间，而不是碎片化的

2、free

free函数的原型如下：

void free(void* ptr);

• ptr：指向要释放的内存空间的指针。

free函数的功能

free函数就是用来释放我们所开辟的空间的，在上面也有应用，需要强调的是：free函数释放的空间必须是我们动态开辟出来的空间，而不是其他空间

free函数的注意事项

• 仅能释放通过malloc、calloc或realloc函数分配的动态内存空间，不能释放静态内存或栈上的内存。
• 释放内存空间后，应该将指针设置为NULL，以避免出现野指针的情况。
• 释放已经释放过的内存空间会导致未定义的行为，因此应该避免重复释放同一块内存空间。
• 在释放内存空间后，尽量避免继续使用指向已释放内存空间的指针，以防止出现悬空指针的情况。

3、calloc

calloc函数的原型如下：

void* calloc(size_t num, size_t size);

分配内存空间

calloc函数的用法与malloc函数的用法几乎完全一致，唯一区别就是传参的不同，malloc函数的参数是开辟空间的字节个数，而calloc函数传的参数是分配的元素个数，和每个元素的大小（即每个元素所占的字节数)

具体用法

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int n = 5;
    //开辟n个int类型的空间
    int* ps = (int*)calloc(n,sizeof(int));
    //判断是否开辟成功
    if (ps == NULL)
    {
        printf("空间开辟失败\n");
        return 1;
    }
    //对开辟的动态空间进行操作
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        ps[i] = i * 2;
    }
    //打印结果
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", ps[i]);
    }
    //释放开辟的空间
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

注意事项

• calloc函数在分配内存时会将内存空间初始化为0，这有助于避免未初始化内存带来的问题。
• 使用calloc函数分配的内存空间同样需要在不再需要时使用free函数释放，以避免内存泄漏。
• 类似于malloc函数，calloc函数返回的指针类型是void*，需要进行类型转换为实际需要的指针类型。
• 在使用calloc函数分配内存时，同样需要考虑内存对齐的问题，确保内存分配的有效性和性能。

4、realloc

当我们在C语言中需要重新分配已经分配的内存空间时，通常会使用realloc函数。realloc函数的原型如下：

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

重新分配空间

realloc函数用于重新分配已经分配的内存空间的大小，可以扩大或缩小已分配内存的大小。参数ptr是指向已分配内存空间起始地址的指针，size是重新分配后的内存空间大小（单位是字节）。realloc函数返回一个指向重新分配后内存空间起始地址的指针。

具体用法：

下面是一个realloc函数重新分配空间的案例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int n = 5;
    //分配n个int类型的空间
    int* ps = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    //判断是否开辟成功
    if (ps == NULL)
    {
        printf("开辟空间失败\n");
        return 1;
    }
    //用realloc函数进行扩容
    ps = (int*)realloc(ps, 10 * sizeof(int));
    //判断是否扩容成功
    if (ps == NULL)
    {
        printf("扩容失败\n");
        return 1;
    }
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

注意事项：

• realloc函数可以用于扩大或缩小已分配内存空间的大小，但不能保证原始数据的完整性。如果扩大内存空间，新分配的内存空间中的数据是未定义的；如果缩小内存空间，可能会丢失部分数据。
• 使用realloc函数重新分配内存空间时，建议将返回的指针赋值给原指针变量，以防止内存泄漏。
• 如果realloc函数无法在原地重新分配内存空间，将会在另一块内存空间中重新分配，并将原数据复制到新内存空间中。因此，重新分配可能会比较耗时。
• 类似于malloc和calloc函数，使用realloc函数分配的内存空间同样需要在不再需要时使用free函数释放，以避免内存泄漏。

三、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 = 20;//如果p的值为NULL,就会出现问题
    free(p);
}

解决方案：

3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("开辟失败\n");
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        printf("%d ", p[i]);
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

运行上述代码后，你会发现是有问题的

解决方法：

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);
}

显然，这样写是错误的，我们在上文中也强调过free函数释放的空间必须是动态内存函数开辟出来的

上面这些问题都是没有学习好动态内存函数的一些细节而造成出错，当然，这并不是全部错误，一个程序员想要写BUG是拦不住的，你要做的，是把我上面那些内容进行仔细的学习和研究，可能文笔并不好，但动态内存管理所包含的知识点基本都有，如果有不理解的，欢迎私信或者在评论区中指出，我会尽我所能帮你解决

感谢观看！！！创作不易，还请点一个小小的赞！！！