一文带你了解C语言中的动态内存管理函数
作者：努力学习游泳的鱼
1.什么是动态内存管理
平时我们写代码，一种非常常见的写法是：
int a = 0; // 创建一个变量
int arr[10] = {0}; // 创建一个数组
当你创建变量a的时候，其实是向内存中申请了4个字节的空间来存放一个整数。而当你创建数组arr的时候，是向内存中申请了40个字节的空间来存放10个整数。当你这么写了之后，从a和arr创建开始，一直到程序结束，它们都只会占用4个和40个字节的空间，不会多也不会少！换句话说，它们的大小并不会变化，是静态的。
与之相反，如果你向内存中申请一块空间，这块空间可以一会大，一会小，你觉得不够了就扩容，你觉得空间太多了就缩容，你想要多少空间就来多少空间，这块空间的大小是会变化的，所以我们认为它是动态的。对这样可以改变大小的内存空间的管理，称之为动态内存管理。
你可能会想：这么神奇？我还能自己操纵向内存申请的空间大小？这是怎么做到的呢？别急，听我慢慢道来。
当你创建一个局部变量时，比如int a = 0;，变量a是存储在栈区上的。一般来说，如果你想要改变栈区上申请的空间的大小，是非常困难的，因为这块空间是编译器提前帮你算好的，一旦进入到函数内部就自动帮你开辟好了，我们作为程序员并没有太多的操作空间。但是内存中有一块空间，专门用来给我们做动态内存管理，这块空间就是堆区。如果我们在堆区上申请空间，就可以做到想要多少空间就来多少空间，不够了还可以继续申请，非常灵活。
2.为什么要有动态内存管理
静态的内存管理，某些情况下会显得很死板。比如，我要实现一个通讯录，是不是要创建一个数组来存储联系人的信息？那好，我要开辟多大的空间？如果容量是100人，假设我要存储200个人的信息呢？你可能会说，那好，给我1w个空间！那我如果只存3个人的信息呢？这么多的空间是不是就浪费了？
所以，静态的内存管理有2个硬伤：
- 开辟空间太少，不够用。
- 开辟空间太多，造成空间浪费。
而这2个问题可以用动态内存管理的方式完美解决。空间太少，咱再多来点！空间太多，我还可以缩容，减少空间消耗。
3.如何进行动态内存管理
这可能是大家最关心的问题。我应该怎么样进行动态内存管理呢？C语言提供了4个函数，专门用来进行动态内存管理。这四个函数分别是malloc, free, calloc, realloc。使用这几个函数都需要引用头文件stdlib.h。
接下来，我将详细介绍这几个函数的用法。
3.1 malloc
如果你想要40个字节的空间来存储10个int，你可以跟内存说：“喂，内存！给我40个字节的空间！我要用！”也可以直接使用malloc函数。malloc函数的声明如下：
void* malloc(size_t size);
其实你只需要给malloc传你需要的空间大小就行了。比如你想申请40个字节，就直接malloc(40);，此时malloc就会屁颠屁颠的跑去内存那里，申请40个字节的空间，然后返回这块空间的起始地址。有了前面“什么是动态内存管理”的讲解，你应该很清楚，这40个字节的空间是在内存的堆区上的。
注意，malloc返回空间的地址，类型是void*。啥是void*呢？其实，void*的意思是，malloc不知道返回的地址是什么类型的，这要你来告诉他。比如，你想用这40个字节的空间来存储10个int，你当然希望这个指针是int*类型的，此时你就会用一个int*类型的指针来接收。由于void*和int*毕竟是两种不同的类型，所以需要强制类型转换。具体的写法如下：
int* ptr = (int*)malloc(40);
此时你就有了一个指针ptr，指向了动态开辟的40个字节的连续空间了，你就可以在这块空间里为所欲为了。接下来，你还需要掌握一些细节。
malloc函数申请空间一定会成功吗？那可不见得！如果你一次申请的空间太多了，比如malloc(INT_MAX);，INT_MAX是整形变量能够存储的最大值，你一次申请这么多字节的空间，那很有可能失败呀！或者还有一种可能，你的电脑已经运行了几百个进程了，内存已经快被耗干了，哪怕你申请的空间不是很多，也有可能申请失败。
malloc函数在申请空间失败的时候，会返回NULL指针。每次使用malloc函数的时候，都必须要检验返回值是不是NULL，否则后面在使用这个指针的时候，有可能会有对NULL指针的解引用操作，这是非常危险的！检查的示例代码如下：
if (ptr == NULL)
{
// 错误处理
perror("malloc()");
exit(-1);
}
错误处理的代码应该根据实际情况来写，我这里只是给了一个常见的处理方式：用perror函数报个错，接着直接用exit函数结束进程，非常简单粗暴。当你验完货，发现货的质量不对，直接扭头就走，不玩了，exit掉。而当你觉得这货的质量还可以，就可以使用了。
使用起来非常简单，ptr指向了这块空间的起始地址，由于类型是int*，+1就跳过一个int，+2就跳过2个int，以此类推。每次解引用，就可以访问这块空间了，比如把1~10放进去：
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = i + 1;
}
由于在C语言中，*(a+b)就等价于a[b]，所以上面的代码也可以这么写：
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
ptr[i] = i + 1;
}
有没有发现，ptr就像一个数组一样，这个数组的容量是10个int。
3.2 free
注意，动态内存管理的空间需要程序员手动释放！前面我们用malloc开辟了一块空间，并把这块空间的起始地址交给ptr指针来看管，最后，我们还要使用free函数来释放这块空间。使用方式非常简单，你想释放谁就free谁，比如：
free(ptr);
传给free函数的指针必须指向一块动态开辟空间的起始位置！言外之意就是，你malloc出来一块空间交给ptr管理后，你还能修改ptr吗？答案是：不行。你一旦把ptr给改了，就找不到这块空间的起始位置了，就没办法把它free掉了。就相当于，警察局有一个卧底，这个卧底和一个领导是单线联系的，如果领导被干掉了，就没有人知道这个卧底的身份了。ptr就是这个领导，malloc开辟出来的这块空间就是这个卧底。
你可能会想：如果我不free，会怎么样呢？事实上，如果程序员没有手动回收动态申请的空间，当程序结束时，这块空间会自动还给操作系统；如果程序一直不结束，这块空间就一直不会被回收，就一直搁那，占据资源，浪费内存，此时我们称，造成了内存泄漏。
free函数会把ptr指针置成NULL吗？答案是：不会。free函数没有这个能力。如果你函数这个章节学的不错，你应该知道，C语言调用函数时是值传递，函数内部的形参是实参的一份临时拷贝，改变形参不会影响实参。也就是说，free函数内部会有另一个指针拷贝ptr的值，free函数会把这个指针指向的内存空间还给操作系统，但是没有能力影响外面的ptr指针。
既然ptr指针没有被置成NULL，也就是说，ptr的还是指向原来malloc申请的那块空间，但是这块空间已经还给操作系统了！如果还使用ptr指针访问这块空间，就造成了内存的非法访问，因为此时ptr是一个野指针！这是很危险的一件事。所以，在free掉这个指针之后，最好把它置为NULL，就像这样：
free(ptr); ptr = NULL;
最后还有一个细节，如果传给free函数的是NULL指针，free函数什么也不做。free(NULL);相当于什么也没发生。
来看看一段完整的代码，来演示malloc和free：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// 开辟空间
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
// 检验是否开辟成功
if (NULL == ptr)
{
perror("malloc");
return 1;
}
// 把1~10放到这块空间里
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
ptr[i] = i + 1;
}
// 打印这块空间里的值
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
// 释放这块空间，别忘了把ptr置NULL
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
输出结果：
3.3 calloc
calloc函数的使用和malloc函数几乎完全一样，只有2个微小的区别：
- calloc函数有2个参数，分别表示开辟空间要存储的元素个数和每个元素的大小。malloc函数只有一个参数，表示要开辟的空间的总大小。
- calloc函数会把开辟的空间初始化成0。malloc函数并不会做任何处理，所以空间内存储的是随机值。也就是说，calloc由于会对开辟的空间进行初始化，效率会低一点，相当于malloc+memset。
由于使用上就这点区别，大家看个例子就懂了。我只是把上面的代码改一下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// 开辟空间(40个字节，即10个int)
int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
// 检验是否开辟成功
if (NULL == ptr)
{
perror("calloc");
return 1;
}
// 打印这块空间里的值
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
// 释放这块空间，别忘了把ptr置NULL
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
输出结果：
输出结果侧面验证了，calloc会把开辟的空间全部初始化成0。
3.4 realloc
刚刚讲了3个函数了，也只是把空间开辟出来，然后再还给操作系统，似乎也没有什么新鲜的？其实，最后一个函数，realloc，会让你大开眼界。
realloc函数可以帮你改变开辟的空间的大小，你可以让这块空间任意的变大变小，非常灵活！
realloc函数的声明如下：
void* realloc(void* ptr, size_t new_size);
第一个参数是你想扩容的空间的起始地址，也就是一开始接收malloc和calloc返回值的指针，第二个参数是你想把空间改变的新大小。注意：不是相对大小！是新大小！
比如，一开始先malloc出40个字节的空间，这块空间能存10个int：
int* ptr = (int*)malloc(40);
if (NULL == ptr)
{
// 错误处理
// ...
}
如果这块空间存满了，你还想再存10个int进去，此时新空间的大小就是20个int，即80个字节，比原空间多出40个字节。再次强调：realloc的第二个参数是新空间的总大小！是最终的大小，而不是相对的大小。所以如果把原来的40个字节的空间翻一倍，应该写realloc(ptr, 80);而不是realloc(ptr, 40);，后一种写法相当于空间大小没有改变。
realloc函数会返回新空间的起始地址，如果扩容失败就会返回NULL。那能不能这么写？
ptr = (int*)realloc(ptr, 80);
答案是：不行！你想想，如果扩容失败，返回NULL给ptr，相当于既没有扩容成功，还把原来的空间的地址给弄丢了，那不是赔了夫人又折兵吗？所以，还是那句话，得先验货，再使用。比如：
int* tmp = (int*)realloc(ptr, 80);
if (tmp == NULL)
{
// 扩容失败
perror("realloc");
exit(-1);
}
else
{
// 扩容成功
ptr = tmp;
}
那realloc函数具体是如何做到改变动态开辟空间的大小的呢？
realloc函数会先看一眼，原来空间后面的空间够不够。比如上面的例子中，realloc函数会去看，原来的空间再往后数40个字节的空间有没有被占用，如果没有，realloc会直接把原来空间的后40个字节的空间给申请到，再把原来空间的起始地址给返回，此时是原地扩容。
但是如果原来的空间的后面的空间被占用了呢？那就得另外找一块80个字节的空间，把原来的40个字节的数据拷贝过去，接着释放掉原来的空间，返回新空间的起始地址。这种扩容方式称为异地扩容。
还有一点，realloc函数也可以像malloc函数一样使用。当第一个参数是NULL时，realloc函数的表现和malloc一样。也就是说，malloc(40);和realloc(NULL, 40);等价。
我们把最初的程序改造一下，如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// 开辟空间
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
// 检验是否开辟成功
if (NULL == ptr)
{
perror("malloc");
return 1;
}
// 把1~10放到这块空间里
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
ptr[i] = i + 1;
}
// 打印这块空间里的值
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
printf("\n");
// 扩容
int* tmp = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));
if (NULL == tmp)
{
// 扩容失败
perror("realloc");
return 1;
}
else
{
// 扩容成功
ptr = tmp;
}
// 把11~20也放进去
for (int i = 10; i < 20; i++)
{
ptr[i] = i + 1;
}
// 打印这块空间的所有值
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
// 释放这块空间，别忘了把ptr置NULL
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
输出结果如下：
总结
1.有时我们需要进行动态的内存管理，如果是静态内存管理，空间给少了不够用，给多了又浪费。动态内存管理是在堆区上进行的。
2.动态内存管理需要我们掌握4个函数，分别是malloc, free, calloc和realloc，它们分别扮演着重要的角色。
3.malloc和calloc负责开辟空间，并返回空间的起始地址。如果开辟空间失败会返回NULL。
4.malloc函数只有一个参数，表示开辟空间的总大小；calloc函数有两个参数，分别表示开辟空间能存储的元素个数和每个元素的大小。
5.malloc函数不会对空间进行处理，calloc函数会把空间初始化成全0。
6.free函数可以释放一块动态内存，传参时必须传这块空间的起始地址。释放完后最好置NULL，防止出现野指针。free(NULL)这种写法free函数什么都不会做。
7.realloc函数可以动态调整开辟空间的大小，传递参数时，第一个参数是动态内存的起始地址，第二个参数是新空间的总大小。如果第一个参数是NULL，realloc的表现和malloc一样。
8.使用malloc, calloc, realloc都需要判断返回值是不是NULL，并对相应情况进行处理。
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