动态内存管理（上）

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：

1.空间开辟大小是固定的。

2.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。

2.2 free

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 
#include 
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i 0;
		}

	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存

	ptr = NULL;//是否有必要？

	return 0;
}

最后一句 ptr = NULL; 从程序运行角度来说并不是必须的，但在实际开发中推荐保留。因为 free(ptr); 只是释放了指针所指向的动态内存，并不会自动把指针变量本身清空，释放后 ptr 仍然保存着原来的地址，此时它就变成了悬空指针（野指针）。如果后续代码中不小心再次使用这个指针，比如解引用或再次调用 free，就可能导致程序崩溃或出现未定义行为。将指针置为 NULL 可以有效避免误用，因为对 NULL 指针的再次 free 是安全的。

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。 举个例子：

#include 
#include 
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;
}

代码中通过 calloc(10, sizeof(int)) 申请空间，与 malloc 不同的是，calloc 在分配内存的同时会把这块内存全部初始化为 0，因此后面的循环打印时，每个元素默认都是 0。程序先判断指针 p 是否为空，避免申请失败时发生非法访问；如果申请成功，就通过指针遍历的方式依次输出数组中的值。最后调用 free(p) 释放动态内存，防止内存泄漏，并把指针置为 NULL，以避免形成悬空指针。

输出结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

所以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：

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

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1：当是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。

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da'x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。

#include 
#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理

	}
	else
	{
		return -1;
	}
	//扩展容量
	//代码1 -直接将realloc的返回值放到ptr中

	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)

	//代码2 -先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中

	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理

	free(ptr);
	return 0;
}

这段代码的关键问题，在于对 realloc 返回值的处理。代码1中直接写成
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); ，语法上虽可行，但风险不小。因为 realloc 扩容失败时会返回 NULL ，而此时原来的内存块并不会被释放。关键是，这里已经把原来的地址覆盖掉了，这就导致既拿不到新空间，又丢失了旧空间的指针，最终会造成内存泄漏，而且后续再使用 ptr ，还可能发生空指针错误。

相比之下，代码2是更安全、更规范的写法。先用一个临时指针 p 接收 realloc 的返回值，如果 p 不为 NULL，说明扩容成功，再把它赋给 ptr；如果为 NULL，原来的 ptr 仍然有效，可以决定是否继续使用或释放。

四、 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题

free(p);
}

正确做法是在使用指针之前先判断是否申请成功，例如：

int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
if (p == NULL) {
// 处理申请失败，返回或报错
return;
}
*p = 20;
free(p);
p = NULL;

4.2 对动态开辟空间的越界访问

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

for 循环条件写成了 i ，当 i == 10 时，表达式 *(p + i) 会访问到第 11 个元素的位置，已经超出了申请的内存范围，属于未定义行为，可能导致数据破坏或程序崩溃。

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?
}

free 只能释放由动态内存分配函数（如 malloc、calloc、realloc）申请的内存，而代码中的 p 指向的是局部变量 a 的地址，这块内存位于栈区，不是动态分配的。如果对它调用 free(p)，就会产生未定义行为，常见结果是程序崩溃或运行异常。

4.4 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
}

free 必须接收最初由 malloc（或 calloc、realloc）返回的那个原始指针值，而代码中在 p++ 之后，p 已经不再指向动态内存块的起始地址，而是指向中间位置。此时调用 free(p) 属于未定义行为，常见结果是程序崩溃或内存管理错误。

4.5 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

}

free(p); 第一次调用后，这块动态内存已经被释放，指针 p 变成了悬空指针；如果再次对同一个指针调用 free，就会产生未定义行为，常见结果包括程序崩溃、堆结构损坏或安全漏洞。

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

在函数 test 里，通过 malloc(100) 动态地申请了一块堆内存。然而，在函数结束之前，并没有调用 free 来释放它。这就意味着，这块内存会一直被占用，无法被回收。特别是在 main 函数中，又存在一个死循环 while (1);，程序不会结束，操作系统也就不会帮忙回收这块内存，内存泄漏的情况就会一直持续下去。