C语言动态内存管理的实现示例
作者：米饭「」
一、什么是动态内存管理
动态内存管理是一种内存管理方法。它允许程序在运行时根据需要动态地申请和回收内存空间。与静态内存管理（如变量和数组的预先分配）不同，动态内存管理根据程序的需求即时分配内存，并且分配的内存大小就是程序要求的大小。
动态内存分配的优点：
- 能更好地适应系统的动态需求，提高内存的利用率
- 可以根据程序的实际需要分配内存，而不是预先分配固定大小的内存
- 允许程序在不需要时释放内存空间，供其他应用程序使用
总结来说，动态内存管理是一种灵活的内存管理策略，它允许程序在运行时根据实际的需求分配和释放内存，从而提高内存的使用效率和程序性能。
两种开辟内存空间的方式
我们现在已经掌握的内存开辟方式有两种：一种是创建变量，还有一种就是创建数组。
int i = 5 //在栈空间上开辟4个字节char arr[10] //在栈空间上开辟10个字节的连续空间
但是上述的两种开辟空间的方式有两个特点:
- 空间开辟的大小是固定的。
- 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小就不能再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，那数组编译时开辟空间的方式就不能满足了。
在C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己动态的申请和释放空间，这样就比较灵活了。
二、动态内存管理的四个函数
要进行动态内存分配，就要掌握四个重要的函数：malloc、free、calloc、realloc。
1.malloc与free函数
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc(size_t size);
这个函数会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(地址)。
♥ 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针(这块空间的起始地址)。
♥ 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，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
♥ 如果参数size为0，那malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
上面malloc函数中的参数是size_t类型的，也就是一个无符号整型。而malloc的参数size就表示需要申请多少个字节的空间。我们都知道，void*类型的指针是无具体类型的指针，可以用来接收任意类型的地址，但是不能对其进行解引用。那malloc函数的返回值，我们要怎么接收呢？很简单，对这个返回值进行强制类型转换即可。因为我们在动态的申请空间时，心里就已经知道自己需要多少个字节的空间，而且也知道申请的空间要用来存储什么类型的数据。比如我们要申请20个字节的空间用来存放5个整型：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//申请20个字节的空间用来存放5个整型
int* p = (int*)malloc(20);
//对指针p进行检查,看是否为NULL
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
在申请空间时要考虑到，有申请失败的时候，所以我们在动态的申请空间后，应该要对malloc的返回值进行检查。如果动态申请内存失败，那我们就不能再往下执行程序。上面代码中出现了另一个与malloc函数相匹配的free函数，free函数是专门用来释放动态申请的内存空间的。free函数的定义如下：
void free(void* ptr)
free函数要传进去的参数就是我们动态申请的内存空间的起始地址，记住传的参数一定得是这块空间的起始地址。有借有还嘛！我们动态地向操作系统申请空间来使用，那使用完了就要把申请的内存还回去。所以这里free函数就是⚾️专门用来释放和回收动态开辟的内存空间的⚾️。
但是对于free函数我们需要注意：
▲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
通过free函数释放了动态开辟的空间以后，不是就完了！我们用来接收malloc函数的指针p，还指向着原来申请空间的起始地址，但是这块空间已经被释放了。那以后要是不小又对指针p解引用来使用原来那块空间，就会造成非法访问，就会出现野指针。所以在释放了动态开辟的内存空间后，应该将指针p置为空(NULL)，这样才是完整的。
malloc和free函数都声明在stdlib.h的头文件中，所以在使用这两个函数之前，要记得包含头文件stdlib.h。
由于动态开辟的内存空间是连续的，那你把这块空间看做数组也是可以的。因为数组在内存中就是连续存放的。
2.calloc函数
C语言还提供了一个函数叫calloc，calloc函数也是用来动态内存分配的。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函数会在返回地址之前把申请的空间的每个字节都初始化为0比如我们现要为5个大小为4个字节的整型元素申请一块空间：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//为5个大小为4字节的元素申请一块空间
int* p = (int*)calloc(5,sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//打印空间内容
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
程序运行结果：
calloc函数除了在传参形式上与malloc有一点区别外，再一个就是它会将所申请空间的每个字节全部初始化为0，再返回此空间的起始地址。在上面的运行结果中，我们看到确实将此空间的每个字节初始化为了全0。我们也可以在内存中查看此空间的内容，如下图，确实初始化了空间内容为全0。
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。只是calloc函数在运行时间上可能就要比malloc函数慢，因为malloc函数不初始化申请的空间，所以两个函数各有各的好处。同样的，只要是动态开辟的内存空间，都要判断内存空间是否开辟成功！都要用free函数释放空间！都要把指针p置为空！养成良好的编程习惯，这有助于程序员少犯错误。
3.realloc函数
- 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进行调整。
realloc函数的定义形式如下：
void* realloc(void* ptr , size_t size)
▣ ptr是要调整的内存地址
▣ size是调整之后的新大小
▣ 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在调整内存空间时存在三种情况：
◎ 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3：如果调整失败了，则realloc会返回NULL(空指针)
对于上面的第四第五条，如果我们一开始用malloc申请了20个字节的空间，现在要调整为40个字节的空间，那就有上面的三种情况，看下面的代码：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//动态开辟20个字节的空间
int* ptr = (int*)malloc(5*sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(ptr + i) = i + 1;
}
//调整原来空间的大小为40个字节
int* p = (int*)realloc(ptr, 10 * sizeof(int));
if (p != NULL)//调整成功
{
ptr = p;
int i = 0;
for (i = 5; i < 10; i++)//继续使用空间
{
*(ptr + i) = i + 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)//打印数据
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放内存
free(ptr);
ptr = NULL;
}
else//调整失败
{
perror("realloc");
//释放内存
free(ptr);
ptr = NULL;
}
return 0;
}
程序运行结果：
如果使用realloc调整原来动态开辟的空间大小，那就有两种情况：
- 一种是上面的情况1，如果原来申请的空间后面有足够大的尚未使用的空间，那realloc就在原来申请空间的后面继续开辟20个字节空间，realloc返回的还是原来空间的起始地址。
- 另一种是上面的情况2，如果原来开辟空间后面没有足够的未使用的空间，那realloc函数就会在堆区上重新找一块连续的空间，这块空间是满足新的大小要求的，然后会将原来空间里的数据拷贝一份到新的空间里，然后再释放原来那块旧的空间，返回新的空间的起始地址。
- 最后一种就是情况3，realloc函数如果开辟空间失败了，那realloc函数会返回空指针。在上面的情况2中我们知道，如果realloc函数在堆区上重新找一块空间来满足现在的大小要求，那realloc函数会释放原来的空间，返回新空间的地址。那我们可不可以直接将指针p赋值给ptr，让指针ptr来维护这块新空间呢？答案是不可以的。我们要考虑到realloc函数会有申请空间失败的时候，要是realloc申请空间失败，我们直接将p赋值给ptr的话，那原来开辟的空间也就找不到了。所以在将指针p赋值给ptr时，应该要提前判断指针p是不是空指针，不是，再将指针p赋值给ptr。这样才是正确的。
记住只要是动态开辟的空间，都要用free函数释放申请的空间。
realloc还有一个特殊的用法，就是它可以完成和malloc一样的功能，比如我们要用malloc申请20个字节的空间，那用realloc也可以实现：
realloc(NULL , 20）
用realloc来开辟空间，只要记得传的第一个参数是NULL(空指针)，第二个参数就是我们要开辟的空间大小(单位字节)，那现在的realloc就等价于malloc。
三、常见的动态内存的错误
Ⅰ.对NULL指针的解引用操作
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
*p = 10;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
这里就没有对动态开辟的空间的指针(起始地址)进行检查，如果malloc申请空间失败，那malloc的返回值就是空指针。对NULL指针是不能对其进行解引用的。所以要对malloc的返回值做检查：
Ⅱ.对动态开辟空间的越界访问
对于动态申请的空间也是连续的，就像数组一样。上面为10个整型动态的申请了40个字节的空间。但是在使用空间的时候，上面存在了越界访问，我们申请来多少内存空间，那我们就只有这块空间的使用权限，不能越界使用空间。
Ⅲ.对非动态开辟内存使用free释放
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
return 0;
}
我们说过只有动态开辟的空间，我们才会用free函数来释放，对于其他非动态开辟的内存空间，是不能用free来释放的，这是未定义的。
Ⅳ.free只释放了动态开辟内存的一部分
当我们用一个指针接收了动态开辟的内存空间的起始地址时，则对指针使用自加操作符，会改变它的指向位置，不再指向动态申请空间的起始位置，这时再将这个指针传给free函数，那free释放的就只是这块空间的一部分，并没有完全回收内存。所以对于动态开辟空间的指针(起始地址)，要注意不要对其有任何的改动。
Ⅴ.对同一块动态内存多次释放
我们在写代码时，对于动态开辟的内存，我们可能会重复的释放，这也是不行的。像这种错误，可能在我们写大量的代码时会遇到，也就是你知道前面你动态开辟内存了，但是由于写了很多行的代码，可能就会忘记自己已经对动态开辟的内存释放过了，你又来一次释放。这也是动态开辟内存会遇到的错误。所以一定要检查用了多少次动态内存开辟，对应的就要有多少次回收释放。
Ⅵ.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏，你是向操作系统申请空间来用，但是你用了却没有把这块空间还给操作系统，那这块内存就可能还存储着一些值，这块空间就用不了，一直占着内存，造成内存泄漏。当然，如果你忘记了使用free函数释放动态开辟的空间，在程序运行结束的时候，操作系统也会自动回收这块内存。所以本质上动态开辟的空间是不会丢的，但是如果程序一直运行着，那就可能会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放
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