C语言高阶【1】--动态内存管理【1】（可以灵活的申请和使用内存，它不香吗？）

news2024/10/3 16:49:21

本章概述

  • 为什么要有动态内存分配？
  • malloc函数和free函数
  • calloc函数和realloc函数
  • 常见的动态内存的错误
  • 彩蛋时刻！！！

为什么要有动态内存分配？

  • 情况描述：当我们创建一个变量时，比如，int i=0 ;内存就直接分配一块空间，这个空间是固定的。再比如，我们创建一个数组，char arr[10];内存就直接分配了一块连续的空间，这个空间也是固定的。当我们要存放的数据过大时，原先申请的空间就不能满足了，就要重新创建变量，重新申请空间了，这样做很麻烦的。又或者，当我们的数据较小时，就会有用不到的空间，就会浪费掉。总之，对于空间的使用和申请不是很灵活，很不方便。
  • 动态内存的介绍：上面咱们讲了内存申请的不灵活和不方便。动态内存就是解决这个问题的，因为有了动态内存，我们就可以想申请多少空间就可以申请多少的空间，甚至中间还能加或减少空间。这就使得我们申请内存空间很灵活了。关于内存，咱们之前讲过了，内存划分为栈区，堆区和静态区。函数参数，局部变量，结构体和数组这些都在栈区创建和开辟空间的。malloc,free,calloc和realloc这些动态内存函数是在堆区。全局变量和常量这些是在静态区。所以，我们用动态内存函数是在堆区进行空间申请和创建的。
  • 动态内存的缺点：动态内存对于内存的申请很灵活，这就导致了很容易出错。因为我们对于内存申请的权限变大了,对于我们管理内存的能力就要提高了，能力不够的话，很容易出错的。
  • 注意：这些动态内存函数的头文件是<stdlib.h>.

malloc函数和free函数

关于动态内存的学习，我们把malloc，free,calloc和realloc这几个内存函数掌握住就足够了。

  • malloc函数：malloc函数是用来开辟内存的函数。我们先来看一下它的结构：
void* malloc (size_t size);
1.size_t size表示你要申请多少个字节的空间。
2.这个函数开辟的是一块连续的空间，和数组开辟的空间是一样的，都是连续的。
3.返回值是void*的指针，当这个函数开辟好空间后，就会返回这个空间的起始地址。
因为你要存的数据类型是不确定的，所以返回void*的指针。所以，当我们使用时，要强制类型转换。
  • malloc函数的使用：我们开辟个4个int型的空间，进行代码展示：
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4*sizeof(int));
	return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
从结果运行图就可以看出来，开辟了一块连续的空间。我们就可以往这个空间里面存入一些数据了。前面，咱们讲过了，动态内存函数开辟的是一块连续的空间和数组开辟的方式一样。所以，我们往里面存值和取值的方式和数组是一样的。进行代码展示：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4*sizeof(int));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{	
		*(p + i) = i + 1;  //存入数据1~4
	}
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
我们还可以用数组的操作符' [ ]'进行访问，进行代码展示：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		p[i] = i + 1;  //存入数据1~4
	}
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ",p[i]);
	}
	return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
对于动态内存函数开辟的空间的使用，我们完全可以类比数组的使用方式。

  • malloc函数使用注意事项：
    • 1.如果开辟空间成功，就会返回这个空间的起始地址。
    • 2.如果开辟空间失败，就会返回NULL，所以一定要做这个函数返回值的检查。
    • 3.如果这个函数的参数为0，这个函数具体怎么做是标准未定义的，取决于编译器，在VS中，就什么也不做。
  • free函数的介绍：free函数具有释放内存的作用。当我们创建的空间不再使用时，就要释放内存空间。这就好比，咱们从图书馆里面借书。如果你只借不换的话，图书馆里面的书总有一天就空了，而且你一直借着，别人也借不了。内存也是这个道理。
  • free函数的使用：我们先来看这个函数的结构：
void free (void* ptr);
1.这个函数无返回值。
2.这个函数的参数是个指针类型，我们需要把我们开辟的空间起始地址传给free函数，才能释放空间

进行代码展示：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

结果运行图：创建的空间。在这里插入图片描述
释放后空间：在这里插入图片描述

  • 使用注意事项：
    • 1.free函数不可以释放栈区和静态区的变量空间，只能释放堆区（动态内存）的空间。进行代码展示：
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int i = 0;
	free(&i);
	return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述

  • 2.free释放空间后，指针变量要立马赋予NULL，防止成为野指针（关于野指针的成因咱们讲过了）。当我们释放完空间后，虽然我们的指针变量里面还存放着那块内存的地址（未赋予NULL前）。但是，我们已经没有访问那块空间的权限了，free之后就把这个关系给嘎断了。如图所示：在这里插入图片描述
    所以，我们一般都会申请内存函数和free函数一起使用。

calloc函数和realloc函数

  • calloc函数的介绍：这个函数也是申请内存的函数，和malloc类似。但是，这个函数可以指定申请的空间数目和申请的空间大小。进行结构展示：
 void* calloc (size_t num, size_t size);
 这个函数表示你要申请多少num，空间大小为size的空间。
  • calloc函数的使用：进行代码展示：
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)calloc(5,4); //申请5个空间大小为4个字节的空间
	if (p ==NULL)
		return 1;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述

  • malloc函数和calloc函数的区别：这俩的功能是一样的。但是，它们俩的唯一（主要）区别就是：malloc函数开辟好空间后，不会初始化。calloc函数开辟好空间后，会初始化。进行结果图的展示–这里只展示calloc的图，malloc的图上面展示过了：在这里插入图片描述
  • realloc函数的介绍：这个函数的功能就是在原来开辟的空间上进行空间大小的更改。比如，当我们觉得空间小了，我们就可以在原来空间的基础上扩大空间。或者我们开辟的空间太大了，我们就可以在原来的基础上减少空间。进行结构展示：
void* realloc (void* ptr , size_t size) ;
1.ptr是原来空间的起始地址，因为我们是在原来的空间基础上更改空间的，所以要知道原来空间的地址
2.size表示我们要更改后的空间大小。
  • realloc函数的使用：进行代码展示：
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(5, 4); //申请5个空间大小为4个字节的空间
	int* pp = (int*)realloc(p, 3*sizeof(int));   //把空间缩小到3个int型的空间大小
	if (pp == NULL)
		return 1;
	else
		p = pp;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

结果运行图：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • ```realloc```的返回值注意（限于扩大空间）：关于它的返回值要有两点的注意：
    • 1.当我们在原来空间的基础上开辟空间时，如果后面的空间足够时，就返回原来的空间地址。
    • 2.当后面的空间不足时，realloc就会重新再找一块空间，进行新的空间开辟，然后返回新的空间地址。它先把原来的数据拷贝到新的空间里面，然后把原来的空间给释掉。如图所示：在这里插入图片描述
    • 3 .因为realloc函数有可能返回新的地址，但是空间开辟不足时就会返回NULL。如果，我们直接用同一个指针来接收返回值时，如果返回的是NULL，那么指针内容就会被更改，原来的空间也无法访问了。返回的不是NULL还好，就怕万一返回的是NULL。为了出现这种情况，我们要做个判断和中间变量。进行代码展示：
    int* p = (int*)calloc(5, 4); //申请5个空间大小为4个字节的空间
	int* pp = (int*)realloc(p, 3*sizeof(int));   //把空间缩小到3个int型的空间大小
	if (pp == NULL)
		return 1;
	else
		p = pp;

常见的动态内存的错误

  • 1.对NULL指针的解引用操作，进行代码展示：
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);
 }

当我们开辟的空间过大时，就可能会返回NULL，一旦p被赋予NULL，我们就无法访问。在之间加个判断部分就OK了。

  • 2 .对动态开辟空间的越界访问，进行代码展示：
void test()
 {
    int i = 0;
    int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
       exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for(i=0; i<=10; i++)
    {
       *(p+i) = i;//   当i是10的时候越界访问
    }
       free(p);
 }

当我们访问的空间超过了我们原本的空间大小，就会发生错误。

  • 3.对非动态开辟内存使用free释放，进行代码展示：
void test()
{
     int a = 10;
     int *p = &a;
    free(p);          //ok?
}

咱们讲过了，free只能释放动态内存函数开辟的空间，其它情况都不能释放。

  • 4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分，进行代码展示：
void test()
{
     int *p = (int *)malloc(100);
      p++;
     free(p);      //p不再指向动态内存的起始位置
}

我们开辟多少的空间，就要释放多少的空间，所以要给起始地址。否则就报错。

  • 5.对同一块动态内存多次释放，进行代码展示：
void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
     free(p);
     free(p);       //重复释放
}

这个很好理解，我们已经释放过内存了，干嘛还要继续释放同一块空间呢，这不是纯做没用功吗。

  • 6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）,进行代码展示：
void test()
{
      int *p = (int *)malloc(100);
     if(NULL != p)
     {
         *p = 20;
     }
}
int main()
{
    test();
    while(1);
}

我们在使用完动态内存函数开辟的空间后，记住释放空间，也就是说动态内存函数和free是配套用的。

  • 补充：
    • 1.咱们说过，用完内存后就要释放。其实有时候，当我们忘记释放内存的时候，程序运行结束后，会自动释放内存的。但是，咱们还是要养成随用随释放的好习惯。
    • 2.动态内存函数成功开辟空间后，会返回这个空间的起始地址，否则就返回NULL，所以要判断（检查）返回值。

彩蛋时刻！！！

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每章一句：我要对自己有耐心，因为我知道这是成长需要的。感谢你能看到这里，点赞+关注+收藏+转发是对我最大的鼓励，咱们下期见！！！

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