【C语言基础】：动态内存管理（含经典笔试题分析）-1

一、动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

常见的两种内存开辟方式有：

int var = 20;  // 在栈空间上开辟4个字节
char arr[10] = { 0 };  // 在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整。

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。

2. malloc函数和free函数

2.1 malloc函数

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。
• 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，取决于编译器。

【示例】：内存的申请

2.2 free函数

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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

【示例】：空间的申请及释放

#include<stdlib.h>
int main()
{
  // 申请20个字节的空间
  int* p = (int*)malloc(20);
  if (p == NULL)  // 判断是否为空指针
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  // 不为空指针就可以使用
  for (int i = 0; i < 5; i++)
  {
    *(p + i) = i + 1;
  }
  // 内存的释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意：

1. 传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址。所以for循环中赋值时不要去改变p指针的指向。
2. 空间释放之后p的指针还是指向这里的，但由于已经没有使用权限了，p就成了一个野指针，所以要及时将p置为空指针。
3. malloc和free函数都是对堆区的空间进行操作的，不能对其他区域的空间进行操作。

3. calloc函数和realloc函数

3.1 calloc函数

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。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。

【示例】：空间申请

使用malloc函数

#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

malloc函数申请的空间是随机值。

使用calloc函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      printf("%d ", *p);
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

使用calloc函数申请空间会直接把每个字节初始化为0，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。

3.2 realloc函数

• 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

【示例】：调整空间大小

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
  }
  // 调整空间大小, 调整为40个字节空间大小
  int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
    for (int i = 5; i < 10; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
    // 打印
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
      printf("%d ", *(p + i));
    }
    free(p);
    p = NULL;
  }
  else  // 调整失败
  {
    perror("realloc");
  }
  return 0;
}

realloc函数调整空间大小有两种情况：

情况一：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。

情况二：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。

还有一种情况就是空间调整失败了，调整失败会返回一个空指针（NULL）。

【C语言基础】：动态内存管理（含经典笔试题分析）-2

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