C语言动态内存管理的原理及实现方法
作者：热爱跑步的恒川
1. 为什么存在动态内存分配
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，
那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。
这时候就只能试试动态存开辟了。
2. 动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
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。
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。
举个例子：
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//张三
//申请
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
代码结果：
1，2，3，4，5
那我们试一试直接打印开辟的动态空间，看看里面的内容是什么？
int main()
{
//张三
//申请
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
代码结果：
-842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451
发现malloc开辟的动态空间打印的是随机值
2.2 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。
举个例子：
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("calloc()-->%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
代码结果：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
发现calloc开辟的动态空间打印的是0。
calloc和malloc的对比：
参数都是不一样的
都是在堆区上申请的内存空间，但是malloc不初始化，calloc会初始化为0
如果要初始化，就使用calloc
不需要初始化，就可以使用malloc
2.3 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
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。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
举个例子：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
int* ptr = (int*)realloc(p, 400000);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
//使用
for (i = 5; i < 10; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
方案一：realloc函数返回的是旧地址
方案二：realloc函数返回的是新地址
- realloc会找更大的空间
- 将原来的数据拷贝到新的空间
- 释放旧的空间
- 返回新空间的地址
3. 常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
int main()
{
int* p = (int*)malloc(20);
//可能会出现对NULL指针的解引用操作
//所以malloc函数的返回值要判断的
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.2 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//可能会出现对NULL指针的解引用操作
//所以malloc函数的返回值要判断的
int i = 0;
//越界访问
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
//对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };
int* p = arr;
//....
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
int i = 0;
//[1] [2] [3] [4] [5] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i + 1;
p++; //这种写法不可取，如果想要释放整个空间，必须将p放在起始位置上才可以
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
*p = i + 1;
p++; //这种写法不可取，如果想要释放整个空间，必须将p放在起始位置上才可以，不然程序会崩溃掉
3.5 对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
//一直在吃内存，内存不释放
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while (1);
}
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 。
提示：
malloc，calloc，realloc，所申请的空间，如果不想使用，需要free释放
如果不使用free释放：程序结束之后，也会由操作系统回收！
如果不使用free释放，程序也不结束，内存就会泄露。
工作时：
自己申请的，尽量自己释放
自己不释放的，告诉别人来释放
这样就可以避免动态内存泄漏的问题
到此这篇关于C语言动态内存管理的原理及实现方法的文章就介绍到这了,更多相关C语言动态内存管理内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！