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前言

动态内存管理，不管是c还是我们今后要学到的c++，都会大量的使用，我们在用c或c++实现数据结构的时候，也会使用的，话不多说，正文开始。

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一、为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟⽅式有：

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
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，必须指定数组的⻓度，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。

二、 malloc和free

2.1 malloc

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；
• 使用是要包含头文件<stdlib.h>

我们可以创建20个字节，来存放5个整数：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//malloc

int main()
{
	//20个字节，存放5个整数
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	//使用空间

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	return 0;
}

既然有申请空间，肯定有回收和释放：

2.2 free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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。
• 传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址；
• malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

比如，刚刚上面的例子，我们释放p，将其归还给系统；

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//malloc

int main()
{
	//20个字节，存放5个整数
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	//使用空间

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}

	//释放内存
	free(p);
	return 0;
}

2.2.1两个注意的问题

2.2.1.1问题1

但是我们有个问题：将p归还给系统后，p指针是否还会指向原处，我们调试看看：

我们通过调试发现，free函数不会改变p指针，p指针还是指向原处；

那这时候的p就是一个野指针了，所以为了防止这种情况发生，我们一般主动将其置空：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//malloc

int main()
{
	//20个字节，存放5个整数
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	//使用空间

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}

	//释放内存
	free(p);
	p = NULL; //传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址
	return 0;
}

2.2.1.2问题2

如果我们传递给free函数的不是我要释放内存空间的起始地址会怎么样呢？

三、calloc和realloc

3.1 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。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

其实同样的需求，我们用malloc和calloc都可以实现，只是calloc在申请空间后将空间每个字节初始化成0：

int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); //都表示创建10个整型空间
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

我们通过一个程序来验证是否是这样的:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 int i = 0;
 for(i=0; i<10; i++)
 {
 printf("%d ", *(p+i));
 }
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

运行结果：

那我们以后什么时候使用malloc，什么时候使用calloc：

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

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，那为了合理的时候内存，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.

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：
1.在堆区的内存找一个新的空间，并且大小要求要符号；
2.将原来的空间数据拷贝一份到新的空间；
3.释放旧的空间；
4.返回新的内存空间的起始地址。

假设就上面的代码，如果我们要将空间调整为40个字节；

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 5; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	//调整为40个字节
	int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
	if (ptr != NULL) //调整成功
	{
		p = ptr;
		int i = 0;
		for (i = 5; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}

		free(p);
		p = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		free(p);
		p = NULL;
	}
	return 0;
}

这里我们要注意，我们在使用realloc函数要充分的考虑到两种可能，如果没有在内存中找到这样的空间，他会返回一个空指针，所以我们不能用原空间的·指针p来接受新建立的空间，如果建立失败，那我们会将原空间的指针丢失；

3.2.1通过调试来看realloc函数的两种不同的情况

我们可以通过调试来看看这个函数的两种情况：

情况一：无需寻找新的空间:

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 4; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
		printf("\n");
	}
	//调整为40个字节
	int* ptr = (int*)realloc(p, 32);
	if (ptr != NULL) //调整成功
	{
		p = ptr;
		int i = 0;
		for (i = 4; i < 8; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 8; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}

		free(p);
		p = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		free(p);
		p = NULL;
	}
	return 0;
}

调试结果：

情况二：需要寻找新的空间：
这里为了观察到调试现象，我们可以适当的增加我们所需的空间（这里我们将所需的空间改为320个字节，即80个整型空间）：

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 4; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
		printf("\n");
	}
	//调整为80个字节
	int* ptr = (int*)realloc(p, 320);
	if (ptr != NULL) //调整成功
	{
		p = ptr;
		int i = 0;
		for (i = 4; i < 80; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 80; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}

		free(p);
		p = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		free(p);
		p = NULL;
	}
	return 0;
}

调试结果：

3.2.2 如果传给realloc()函数的指针为空指针

如果传给realloc函数的指针为空指针NULL，那realloc函数可以完成与malloc函数一样的功能：

int main()
{
	int* p1 = realloc(NULL, 8);
	int* p2 = malloc(8);
	return 0;
}

四、常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

我们知道，如果malloc函数与calloc函数没有成功创建空间，会返回空指针，所以我们会在创建空间后判断一下，但是如果我们不进行判断，可能会出现问题：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
	return 0;
}

4.2 对动态开辟空间的越界访问

我们有时候可能对自己写的代码理解错误，造成越界访问，这也是不被允许的：

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

程序报错：

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//......
	free(p);//ok?
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

这也是不允许的：

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

我们知道用free释放动态开辟内存空间，传给free函数的指针必须要指向动态内存空间的起始位置，但是我们传给free指针若不是动态内存空间的起始位置，那就会出现错误了,我们来看下面的代码：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = (i + 1);
		p++;
	}

	free(p);  //此时的p并非指向动态内存空间的起始位置
	p = NULL;
}

分析：

调试发生错误：

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

我们平时在喝醉了的情况，就容易对一块动态内存空间进行多次释放：

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


int main()
{
	test();
	return 0;
}

这样也会发生错误：

其实，这种的错误我们可以避免，只需要在free§;后及时将p指针置空：
p = NULL;这样我们就算在后面再次释放p：free§;也不会发生错误；

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

我们有的时候，向内存申请空间后忘记释放，这时候我们以后也无法调用这块空间，我们来看下面的程序：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

函数申请了一块空间，当并没有释放，我们出函数后，由于p是局部变量，所以我们不能在函数外通过p找到这块空间；

其实malloc/calloc/realloc申请的内存，如果不想使用的时候，可以使用free函数释放；
如果没有使用free来释放，当程序运行结束的时候，也会由操作系统回收的。

所以，我们在写程序的时候一定要尽量做到：

谁申请的谁释放。
如果不能释放，要告诉使用者，记得释放。

忘记释放不再使⽤的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

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总结

这期我们主要讲到动态内存分配，还讲到了几个我们在动态内存分配的常见的错误，下期我再来分享一下几个经典面试题，祝各位国庆假期快乐，下期见！

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