【C语言】动态内存管理（malloc，free，calloc，realloc）-- 详解

一、动态内存分配

定义：动态内存分配 (Dynamic Memory Allocation) 就是指在程序执行的过程中，动态地分配或者回收存储空间的分配内存的方法。动态内存分配不像数组等静态内存分配方法那样，需要预先分配存储空间，而是由系统根据程序的需要即时分配，且分配的大小就是程序要求的大小。

目前掌握的两种开辟内存的方式：

// 在栈空间上开辟四个字节
int val = 20; 
 
// 在栈空间上开辟10个字节的连续空间
char arr[10] = {0}; 

上述的开辟空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在声明时必须指定数组的长度，在编译时会分配其所需要的内存空间。

存在动态内存开辟的原因：对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时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，这时我们就需要动态内存开辟来解决问题。

二、动态内存函数的介绍

1、malloc 函数

void* malloc(size_t size);

• malloc 是 C 语言提供的一个动态内存开辟的函数，该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。

cplusplus.com/reference/cstdlib/malloc/?kw=malloc

2、free 函数

void free (void* ptr);

• free 函数用来释放动态开辟的内存。

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 free 函数将不会执行任何动作。

⚠ 注意：

1. 使用完之后一定要记得使用 free 函数释放所开辟的内存空间。
2. 使用指针指向动态开辟的内存，使用完并 free 之后一定要记得将其置为空指针。

cplusplus.com/reference/cstdlib/free/

【演示】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main() 
{
    int arr[10]; // 开辟10个整型空间
 
    int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int)); // 动态开辟10个大小为int的空间
 
    if (p == NULL) // 判断p指针是否为空
    {
        perror("main"); // main: 错误信息
        return 0;
    }
 
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", p[i]);
    }
 
    // 回收空间
    free(p); // 释放p指针所指向的动态内存
    p = NULL; // 需要手动置为空指针
 
    return 0;
}

【1】为什么 malloc 前面要进行强制类型转换呢？

int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));

为了和 int* p 类型相呼应，所以要进行强制类型转换。如果把强制转换删掉，其实也不会有什么问题。但是因为有些编译器要求强转，所以最好进行一下强转，避免不必要的麻烦。

【2】为什么 free 之后，一定要把 p 置为空指针？

因为 free 之后那块开辟的内存空间已经不存在了，它的功能只是把开辟的空间回收掉，但是 p 仍然还指向那块内存空间的起始位置，这并不合理。所以需要使用 p = NULL 把它置成空指针。

3、calloc 函数

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。

cplusplus.com/reference/cstdlib/calloc/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 开辟10个大小为int的空间，40
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
 
    free(p);
    p = NULL;
 
    return 0;
}

结论：说明 calloc 会对内存进行初始化，把空间的每个字节初始化为 0 。如果我们对于申请的内存空间的内容，要求其初始化，我们就可以使用 calloc 函数来轻松实现。

4、realloc 函数

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

• realloc 函数，让动态内存管理更加灵活。用于重新调整之前调用 malloc 或 calloc 所分配的 ptr 所指向的内存块的大小，可以对动态开辟的内存进行大小的调整。

1. ptr 为指针要调整的内存地址。
2. size 为调整之后的新大小。
3. 返回值为调整之后的内存起始位置，请求失败则返回空指针。
4. realloc 函数在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三种情况：

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. realloc 有可能找不到合适的空间来调整大小。

第三种情况，如果 realloc 找不到合适的空间，就会返回空指针。如果想让它增容，它却存在返回空指针的危险，怎么办？

不要拿指针直接接收 realloc，可以使用临时指针判断一下。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main() 
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i)  = 5;
    }
 
    // 此时，这里需要 p 指向的空间更大，需要 20 个int的空间
    int* ptmp = (int*)realloc(p, 20*sizeof(int));
 
    // 如果ptmp不等于空指针，再把p交付给它
    if (ptmp != NULL)
    {
        p = ptmp;
    }
 
    free(p);
    p = NULL;
}

当要调整的内存地址为 NULL 时，realloc 的功能相当于 malloc。

int* p = (int*)realloc(NULL, 40); // 这里功能类似于malloc，就是直接在堆区开辟40个字节

三、常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

// error - 错误演示
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
 
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(9999999999);
    *p = 20; // 对空指针进行解引用操作，非法访问内存
    free(p);
    return 0;
}

// 正确代码
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(9999999999);
 
    if (p == NULL) // 对malloc函数的返回值做判空处理
    {
        perror("main")
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i; // 对空指针进行解引用操作，非法访问内存
    }
 
    return 0;
}

2、对动态开辟空间的越界访问

堆上开辟的空间是有范围的。

// error
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int)); // 申请10个整型的空间
    if (p == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 40; i++) // 越界访问 - 指针p只管理10个整型的空间，根本无法访问40个
    {
        *(p + i) = i;
    }
 
    free(p);
    p = NULL;
 
    return 0;
}

注意：为了防止越界访问，使用空间时一定要注意开辟的空间大小。

3、对非动态开辟内存使用free释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    int arr[10] = {0};
    int* p = arr;
 
    free(p); // 使用free释放非动态开辟的空间 - error
    p = NULL;
 
    return 0;   
}

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
}

       此时 free(p) 就会出问题，释放的是后面的空间。不能从一块动态开辟的内存空间的某一部分释放，必须从头开始释放！

       这么写会导致 p 只释放了后面的空间，并不知道这块空间的起始位置，这样会存在内存泄露的风险。

⚠ 注意：释放内存空间的时候一定要从头开始释放。

5、对同一块动态内存多次释放

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

应该在第一次释放后紧接着将 p 置为空指针。

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        return;
    }
    // 这里忘记释放了
}
 
int main()
{
    test();
    
    free(p); // 此时释放不了了，并不知道这块空间的起始位置在哪
    p = NULL;
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

注意 ： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

C / C++ 中程序内存区域划分

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由 OS 回收 。分配方式类似于链表。
3. 数据段（静态区）（static）：存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。但是被 static 修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以 生命周期变长 。