C语言-动态内存分配讲解

news2024/12/23 19:10:07

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目录

✨1.什么是动态内存分配

💕2.动态内存开辟函数 malloc

✨3.malloc函数的检查（两种方法）

  💕4.动态内存释放函数 free

 ✨5.free 函数接收空指针

✨6.为什么要释放动态内存

💕7.动态内存开辟函数calloc

💕8.动态内存调整函数 realloc

✨9.动态内存分配——分配数组

9.1  动态内存分配——一维数组

9.2  动态内存分配——二维数组

春秋蝉在耳边鸣 无人与我并肩行        

永生路上多坎坷 这路一人也走的

  

✨1.什么是动态内存分配

我们在处理内存时，内存区域主要分为三块区域，分别为：栈区，堆区，静态区

而我们经常使用的语句其实都是在栈区开辟空间的，如：

int arr[10];
char str[20];

struct S s[10];

int a;

float b;

char c;

但是使用这样的声明，在栈区开辟空间时是有一定风险的

存在风险：

1. 开辟出来的空间是固定的，不能进行具体字节大小的修改，所以可能浪费掉栈区的空间大小

2. 栈区空间开辟太大可能导致栈溢出

因此，我们可以将一些东西存储在堆区中，堆区的空间是本身就存在的，我们要做的就是分配出来并利用这些空间，因此也叫做动态内存分配

动态内存的分配是在堆区完成的，同时，堆区的内存空间几乎于无限大，因此不必担心如栈溢出的问题 

动态内存分配是需要调用动态内存函数实现的，下面介绍四种内存函数

点击超链接可以进行访问函数

💕2.动态内存开辟函数 malloc

动态内存开辟函数访问链接 malloc

#include<stdlib.h>
void* malloc(size_t size)
//以上是malloc函数的头文件以及参数

malloc 函数会返回一个void*类型的指针，这个指针是 malloc开辟空间大小的首地址

size表示空间大小是size个字节

 动态内存函数 malloc 可以在堆区开辟出一定的空间大小供程序员使用

1. malloc如果开辟成功，会返回所开辟空间的首地址

2. malloc如果开辟失败，就会返回空指针（NULL指针） 

我们无法确定malloc函数100%开辟成功，所以在利用malloc函数开辟空间时一定要进行检查

使用效果如下：

5f91c02d22f54fee933b278829890c55.png

在使用malloc函数开辟空间时，因为malloc函数返回的地址是void*类型，因此我们需要根据自己的实际需要，进行地址类型的转换 

如图：我们用malloc在堆区开辟了40个字节的内存空间大小，解引用p一次访问4个字节的大小 

但我们会发现，我们使用malloc函数开辟的空间大小，没有解引用的部分都不会初始化值为0，返回全部都是cd,这是因为malloc函数在开辟空间大小时不会初始化内容

但我们这样使用malloc函数其实是不对的，之前我们强调过，malloc函数的使用一定要进行检查，否则编译器就会出现警告，如下图：

421fe78d67604377b6429170eca88e64.png

那么我们该如何解决呢？

✨3.malloc函数的检查（两种方法）

我们使用完malloc函数开辟内存后，因为无法100%确定开辟成功，所以我们需要对malloc函数是否开辟成功进行检查

检查的两种方法：

1. 利用assert函数进行检查

2. 使用if语句进行检查

1.assert情况检查

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#define NDEBUG
int main() {
	int* p = (int*)malloc(40);
	assert(p != NULL);
	*p = 20;
	printf("%d", *p);
}

malloc函数开辟失败就会返回空指针，因此只需要判断是否为空指针即可，如果为空指针，assert就会报错并停止运行代码（使用assert不用担心 NDEBUG 注释掉）

但使用assert有一点不好，如果我们再使用assert函数断言其他代码的同时，确定完malloc函数开辟成功后不能使用#define NDEBUG 注释掉assert函数，因为无法判断下一次执行代码malloc是否会开辟成功，这样就会影响代码的运行速度。可以使用assert函数，并不推荐用

2.if语句判断

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL) {
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	*p = 20;
	printf("%d", *p);
}

 使用 if 语句，只需要判断是否为空指针即可，如果为空指针，我们可以使用perror函数打印出错误信息，并及时结束代码返回1，推荐使用 if 语句

  💕4.动态内存释放函数 free

我们在堆区开辟完空间后，我们可以使用 free 函数释放掉开辟的内存，并将这块内存空间还给操作系统

动态内存释放函数访问 free

#include<stdlib.h>
void free(void* ptr)

free函数接收一个因动态内存函数所开辟内存空间的首地址

注意：

1. free函数接受的地址一定是动态内存在堆区开辟空间的地址，不能用栈区的地址

2.free函数所接受的地址一定是动态内存开辟堆区地址的首地址

以上两种情况，如果实现任意一种，代码直接崩

75536386ad974c5bb6485a6045810fb6.png45cbc587b02c482285a428a667e69812.png

 free函数正确示例如下：

free 释放前的内存

f86364fbe7d149a9b900991f319e82f8.png

free释放后的内存

fac472dfe03446119856fda64127c36d.png

注意：释放空间之后，free函数接收的指针（也就是因动态内存分配出的空间的首地址）就没有任何意义，但 free 不会自动给它置成空指针，此时他就成为一个野指针，所以我们要即及时将其置成空指针，如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(40);

	if (p == NULL) {
		return 1;
	}

	free(p);
	p == NULL;
    //初始化为空指针
    //野指针在使用时是非常危险的，因为你不知道它指向哪里，所以要及时定义为空指针
}

 ✨5.free 函数接收空指针

free函数在接受空指针时会进行摆烂状态，什么也不做，如下：

650c5fba0426455d8a7c8d1637965746.png  

✨6.为什么要释放动态内存

在我们利用动态内存分配出来的空间后，这些分配出来的空间只有两种方法可以释放掉

1. 利用free函数，将动态内存分配出来的空间释放掉

2. 等待程序自己结束，程序结束时会将这些空间释放掉

所以及时的释放掉堆区内存是非常重要的

💕7.动态内存开辟函数calloc

calloc函数与malloc函数都为开辟动态内存的函数，两者极其相似却有不同，接下来进行讲解

动态内存开辟函数访问 calloc

#include<stdlib.h>
void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc函数的第一个参数 num 为元素的个数

                    第二个参数 size 为每个元素字节的大小

calloc函数与malloc函数相同点：

如果开辟成功，会返回所开辟空间中较小空间的地址

如果开辟失败，就会返回空指针（NULL指针） 

我们无法确定calloc函数100%开辟成功，所以在利用malloc函数开辟空间时一定要进行检查

calloc函数与malloc函数不同点

1. 参数不同

2. calloc函数在开辟完内存空间后，会将内存空间中每个字节全部初始化为0

效果如下：

b87326281fd541e89ce49860eda3f32a.png

462d408589a24b4b969985a59756b400.png

可见，calloc与malloc函数相似，开辟的所有内存，每一个字节都会初始化为0

在free方面用法相同

💕8.动态内存调整函数 realloc

动态内存调整函数 realloc

虽然我们能通过 malloc 或 calloc 函数动态内存分配一块空间，但这块空间分配完成后大小也是固定的，如果空间满了需要扩容或空间多了需要缩减，这时 realloc 函数就登场了

realloc 的作用是对已经动态分配的一块空间再次分配。

#include<stdlib.h>
void* realloc (void* ptr, size_t size);

它有两个参数：

  1. ptr：要调整的内存地址，这块内存是动态内存分配得到的,必须是首地址，如果不是首地址代码运行就会崩
  2. size：以字节为单位的新大小

它会返回调整之后的内存起始位置。

关于调整之后的内存起始位置会出现以下两种情况：

 1. 与原来内存的起始位置相同
 2. 与原来内存的起始位置不同


当要缩小原有的内存时，说明原来的内存空间已经足够，此时它的返回值就是原来内存的起始位置。


当要扩大原有的内存时，又有两种情况：
1. 原有空间之后有足够大的内存时，直接在原内存的基础上再开辟后边几个连续的空间，此时它的返回值是原来内存的起始位置；
2. 原有空间之后没有足够大的内存进行扩容时，此时会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，与原来内存的起始位置不同。这时会拷贝原来空间的内容到新的空间的相应位置，原空间就被释放掉了。

虽然情况这么多，但其实很好更改与理解

所以，在使用 realloc 函数时就要注意用一个临时指针接收，当内存调整成功后再将临时指针赋给原指针

代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(50);
	if (p == NULL) {
		return 1;
	}

	int * ptr = (int*)realloc(p, 30);

	if (ptr != NULL) {
		p = ptr;
	}

	free(p);
	p = NULL;
}

realloc函数调整前：

8fa86ce350bc496d9385cceb0e58aaf6.png

realloc函数调整后： 

a437c3be48324b8b9b10eecc070f1a83.png

realloc函数在有一种情况下等价于malloc

代码如下： 

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int *)realloc(NULL, 40);
	if (p == NULL) {
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

这种情况下，就相当于开辟了40个字节的空间大小

✨9.动态内存分配——分配数组

9.1  动态内存分配——一维数组

利用动态内存分配出一维数组是较容易的，我们知道一维数组在内存中存储是连续的，我们可以利用这一点，动态内存分配出连续的空间，然后进行赋值利用，就实现了动态内存分配一维数组

代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(40);

	if (p == NULL) {
		return 1;
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		p[i] = i;
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;
}

可能不懂的点：

1. p[ i ] = *(p+i)

9.2  动态内存分配——二维数组

 使用动态内存分配出二维数组，我们有三种方法

第一种：利用二维数组其实是一堆一维数组的原理，开辟足够多的一维数组，并当作二维数组使用

d02a9b3a49e4460585c2cea05bba2042.png

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#define row 8
#define line 5
int main()
{
	
	int * p = (int*)malloc(row*line*sizeof(int));
	//或者int * p = (int*)malloc(160*sizeof(char));
    //开辟40个int类型的空间大小

	int count = 1;
	assert(p!=NULL);
	for(int i = 0;i<row;i++){

		for(int j = 0;j<line;j++){
			*(p+(i*line)+j) = count++;
		}
	}
	
		for(int i = 0;i<row;i++){
		for(int j = 0;j<line;j++){
			printf("%d ",	*(p+(i*line)+j));
		}
		printf("\n");
	}
	free(p);
	p = NULL;

}

第二种：开辟4个 int* 类型的空间大小，让每一个 int* 都指向 5个int 的首地址 

 d2aad90a230e4e88a5558ecf7d43d764.png

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
int main()
{
	int** p = (int**)malloc(4 * sizeof(int*));
	assert(p != NULL);
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		*(p + i) = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
		assert(p + i != NULL);
	}
	int count = 1;
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		for (int j = 0; j < 5; j++) {
			assert((*(p + i)) + j != NULL);
			//*(*(p + i) + j * sizeof(char)) = count++;
			*((*(p + i)) + j) = count++;

		}
	}

	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		for (int j = 0; j < 5; j++) {
			assert((*(p + i)) + j != NULL);
			//*(*(p + i) + j * sizeof(char)) = count++;
			printf("%d ", * ((*(p + i)) + j) );

		}
		printf("\n");
	}


	//释放每个int*所代表的5个int
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		free(*(p + i));
		*(p + i) = NULL;
	}

	//释放一级指针
	free(p);
	p = NULL;
}

这里一定要都释放，只释放 int* 的空间并不会释放 int 的空间

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