【C进阶】——动态内存管理详解 及 经典笔试题解析（一）

这篇文章，我们一起来学习C语言中的动态内存管理！！！

1.为什么存在动态内存分配

我们先来想一下，我们现在掌握的开辟内存的方式是什么：

是不是就是直接创建一个变量或者数组，然后操作系统给我们分配空间：

int main()
{
  int val = 20;//在栈空间上开辟4个字节
  int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40个字节的连续空间
  return 0;
}

大家思考一下这样的方式有没有什么弊端：

我们这样定义一个数组int arr[10]，开辟的空间大小是固定的。

int arr[10]就只能存的下10个整型，我们想多存一个都不行。

我们想存11个整型，用int arr[10]这个数组就不行了，除非我们再定义一个数组。

其次：数组在声明的时候，需要指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

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。

那这时候，这样开辟空间的方式就不行了。

这个时候就需要动态开辟内存空间了。

那怎么实现动开辟内存呢？

C语言给提供了一些函数使得我们可以实现对内存的动态开辟。

2.动态内存函数的介绍

接下来我们就来一起学习一下这些函数：

2.1 malloc

看一下它的参数：

void* malloc (size_t size);

那它是用来干嘛的呢？

接下来再来给大家详细解释一下：

1. 参数size_t size接收我们想要开辟的内存空间的大小，单位是字节，返回指向该内存块开头的指针。

int main()
{
  void* p = malloc(40);
  return 0;
}

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。

malloc给我们返回的指针类型是void*，但我们知道void*是不能直接解引用的，注意使用时要先转换为我们需要的指针类型。

比如我们想再申请的空间里放整数，就应该这样搞：

int* p = (int*)malloc(40);

然后，我们就可以往里面放整型数据了。

当然，你想用来放其他数据，就转换成其它相应的类型。

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。

当然用malloc开辟空间也有可能开辟失败，当请求失败的时候，它将会返回空指针（NULL）。

我们知道空指针是不能直接解引用的。

所以，对于malloc的返回值，使用之前，我们一定要检查一下。

如果为空，那就是失败了，就不能使用了。

那什么时候又可能失败呢，比如当我们开辟的空间特别大的时候，就有可能失败返回空指针。

如果开辟失败我们可以做一个相应处理，打印一下错误信息，然后return一下，让程序结束。

  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }

函数strerror我们在之前的文章里介绍过。

当然我们也可以断言一下：

assert(p);

如果不为空，那就是开辟成功了。

开辟成功，我们就可以使用了。

举个例子，我们现在就在上面开辟好的P指向的40字节的空间里放一些整型数据。

  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }

40个字节，我们可以放10个整型，0到9。

我们也可以通过内存观察一下：

使用前：

这里再给大家提一点：

我们发现开辟好的空间里面放的这些其实是一些随机值

这也是malloc的一个特性：

4. 新分配的内存块的内容不做初始化，仅保留不确定的值。

使用后：

如果参数size_t size为0，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是空指针），但返回的指针不应被解引用。

此时malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

所以我们尽量不要这样试，况且这样做也没什么意义，申请一个大小为0的空间？

那申请的空间使用完之后，我们是不是什么都不用管了呢？

不是的，对于像malloc这些函数动态开辟的内存，使用完之后我们是需要将这些空间释放掉的，不及时释放，有可能会造成内存泄漏。

那怎么释放呢？

2.2 free

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。

接下来我们就来一起学习一下函数free:

它的参数是这样的：

怎么用呢？

1. 参数void* ptr接收一个指针，这个指针指向我们使用malloc这些动态开辟内存函数分配的内存块，无返回值。

比如，上面例子中的指针P：

  int* p = (int*)malloc(20);
  /*if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }*/
  assert(p);
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }

在上述循环的过程中，p 的指向并没有发生改变，还是指向分配的内存块的起始地址，所以我们就可以这样做：

free(p);

这样，就把malloc申请的空间释放掉了。

那释放掉之后，是不是就万事大吉了呢？

不，我们还应该做一件事情：

把p置空

p = NULL;

为什么要这样做呢？

大家想一下，我们现在虽然已经把p指向的那块空间给释放掉了。

但是，p是不是还保存着那块空间的地址啊。

那么一个指针指向了一块被释放掉的空间，那它是不是一个典型的野指针啊。

要知道如果对一个野指针解引用那程序就会出错的。

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。

也就是说参数 ptr 指向的空间必须是动态开辟的。

如果指向其它的空间，那么free函数会怎么处理是标准未定义的。

比如：

int main()
{
  int num = 10;
  int* p = #
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

你写一个这样的代码，肯定是不行的，因为p指向的空间不是动态开辟的。

这里的num是一个局部变量，要知道局部变量是保存在栈区的，再来复习一下：

而我们这些动态开辟的内存，是堆区分配的。

3. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数不执行任何操作。
   像这样：

  int* p = NULL;
  free(p);

函数不执行任何操作。

2.3 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。

我们一起来学习一下：

函数calloc 有两个参数，无返回值，那它的作用是什么呢？这两个参数分别接收什么呢？

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，同样返回指向该内存块开头的指针，类型为（void*）

参数size_t num接收我们想要分配空间的元素个数；

size_t size接收每个元素的大小，单位为字节。

那我们就可以这样用：

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
  /*if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }*/
  assert(p);
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

当然calloc分配的空间使用完也应该使用free释放并将指向空间起始地址的指针置空。

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。

对于malloc 来说，它不会对开辟好的空间初始化，里面放的是随机值。

但是，calloc 会把申请的空间的每个字节都初始化为0。

就拿上面那段代码，我们来调式看一下：

3. 和malloc 一样，calloc 函数如果开辟内存块失败，则返回空指针void*。

所以对于calloc 的返回值，我们也有必要做一下检查，判断是否为空指针。

和malloc一样，如果参数size_t size为0，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是空指针），但返回的指针不应被解引用。

标准未定义的，取决于编译器。

总的来说，malloc和calloc 区别不大：

1. 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，而malloc不会，里面放的是随机值。

2. 它们的参数不同。

2.4 realloc

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，我们就要对开辟的内存的大小做出灵活的调整。

那 realloc 函数就可以做到对动态开辟的内存大小进行灵活的调整。

一起来学习一下：

两个参数分别接收什么呢？

void* ptr接收一个指针，该指针指向我们想要调整大小的内存块，当然这块内存块也应该是我们之前动态开辟的空间。

size_t size接收我们想要为内存块调整的新大小，以字节为单位。

返回值又是什么呢？

返回指向重新分配的内存块的指针

举个例子吧，我们再来看一段上面的代码：

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  assert(p);
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

还是这段代码：

我们使用malloc申请了40个字节空间，放了10个整型。

那假设我们现在想再放10个整型，那原来的空间就不够用了，那我们现在就可以使用realloc 进行扩容。

怎么搞呢？这样写：

  int* p = (int*)malloc(40);
  assert(p);
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
    ptr = NULL;
  }
  //使用
  free(p);
  p = NULL;

变成这样，我们再中间又加了一些代码。

我们看到上面代码中我们扩容后返回的指针赋给指针变量ptr ，那为什么不直接给p呢？

因为，realloc开辟空间也有可能会失败的，它失败同样返回空指针。

所以我们先赋给ptr ，然后判断一下，不为空，再赋给p，让p继续管理扩容后的空间。

然后，不使用ptr ，最好将其也置空。

然后，没什么问题，我们就可以使用扩容后的空间了。

但是，在扩容的时候，又存在存在两种情况：

原地扩

什么时候是原地扩呢？

就还拿刚才的例子来说：

int* ptr = (int*)realloc(p, 80);

p原来指向的空间是40个字节，现在我们想要使用realloc将p指向的空间扩容为80个字节。

那这时realloc就会从原空间向后看，如果后面有足够大的空间能够再增加40个字节，那么realloc就会在原地向后扩容40个字节，使得p指向的空间变为80字节。

当然这样realloc返回的地址还是原来p指向的地址。

异地扩

那什么时候异地扩呢？

假设现在还是相把p指向的空间扩容为80个字节。

但是，原空间后面没有足够大的空间，那这时候怎么办？

这时候：

realloc会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，不再指向原空间。

而且：

realloc会将原空间的数据拷贝到新空间，并会将旧空间释放掉。然后返回指向该内存块起始地址的指针。

比如：

int* p = (int*)realloc(NULL, 40);

那这句代码就相当于：

int* p = (int*)malloc(40);

以上就是对这4个动态内存函数的介绍，它们包含的头文件都是#include 。