1.什么是動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

平時(shí)我們寫代碼，一種非常常見的寫法是：

int a = 0; // 創(chuàng)建一個(gè)變量
int arr[10] = {0}; // 創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組

當(dāng)你創(chuàng)建變量a的時(shí)候，其實(shí)是向內(nèi)存中申請(qǐng)了4個(gè)字節(jié)的空間來存放一個(gè)整數(shù)。而當(dāng)你創(chuàng)建數(shù)組arr的時(shí)候，是向內(nèi)存中申請(qǐng)了40個(gè)字節(jié)的空間來存放10個(gè)整數(shù)。當(dāng)你這么寫了之后，從a和arr創(chuàng)建開始，一直到程序結(jié)束，它們都只會(huì)占用4個(gè)和40個(gè)字節(jié)的空間，不會(huì)多也不會(huì)少！換句話說，它們的大小并不會(huì)變化，是靜態(tài)的。

與之相反，如果你向內(nèi)存中申請(qǐng)一塊空間，這塊空間可以一會(huì)大，一會(huì)小，你覺得不夠了就擴(kuò)容，你覺得空間太多了就縮容，你想要多少空間就來多少空間，這塊空間的大小是會(huì)變化的，所以我們認(rèn)為它是動(dòng)態(tài)的。對(duì)這樣可以改變大小的內(nèi)存空間的管理，稱之為動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。

你可能會(huì)想：這么神奇？我還能自己操縱向內(nèi)存申請(qǐng)的空間大??？這是怎么做到的呢？別急，聽我慢慢道來。

當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)局部變量時(shí)，比如int a = 0;，變量a是存儲(chǔ)在棧區(qū)上的。一般來說，如果你想要改變棧區(qū)上申請(qǐng)的空間的大小，是非常困難的，因?yàn)檫@塊空間是編譯器提前幫你算好的，一旦進(jìn)入到函數(shù)內(nèi)部就自動(dòng)幫你開辟好了，我們作為程序員并沒有太多的操作空間。但是內(nèi)存中有一塊空間，專門用來給我們做動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，這塊空間就是堆區(qū)。如果我們?cè)诙褏^(qū)上申請(qǐng)空間，就可以做到想要多少空間就來多少空間，不夠了還可以繼續(xù)申請(qǐng)，非常靈活。

2.為什么要有動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

靜態(tài)的內(nèi)存管理，某些情況下會(huì)顯得很死板。比如，我要實(shí)現(xiàn)一個(gè)通訊錄，是不是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)聯(lián)系人的信息？那好，我要開辟多大的空間？如果容量是100人，假設(shè)我要存儲(chǔ)200個(gè)人的信息呢？你可能會(huì)說，那好，給我1w個(gè)空間！那我如果只存3個(gè)人的信息呢？這么多的空間是不是就浪費(fèi)了？

所以，靜態(tài)的內(nèi)存管理有2個(gè)硬傷：

• 開辟空間太少，不夠用。
• 開辟空間太多，造成空間浪費(fèi)。

而這2個(gè)問題可以用動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的方式完美解決。空間太少，咱再多來點(diǎn)！空間太多，我還可以縮容，減少空間消耗。

3.如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

這可能是大家最關(guān)心的問題。我應(yīng)該怎么樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理呢？C語言提供了4個(gè)函數(shù)，專門用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。這四個(gè)函數(shù)分別是malloc, free, calloc, realloc。使用這幾個(gè)函數(shù)都需要引用頭文件stdlib.h。

接下來，我將詳細(xì)介紹這幾個(gè)函數(shù)的用法。

3.1 malloc

如果你想要40個(gè)字節(jié)的空間來存儲(chǔ)10個(gè)int，你可以跟內(nèi)存說：“喂，內(nèi)存！給我40個(gè)字節(jié)的空間！我要用！”也可以直接使用malloc函數(shù)。malloc函數(shù)的聲明如下：

void* malloc(size_t size);

其實(shí)你只需要給malloc傳你需要的空間大小就行了。比如你想申請(qǐng)40個(gè)字節(jié)，就直接malloc(40);，此時(shí)malloc就會(huì)屁顛屁顛的跑去內(nèi)存那里，申請(qǐng)40個(gè)字節(jié)的空間，然后返回這塊空間的起始地址。有了前面“什么是動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理”的講解，你應(yīng)該很清楚，這40個(gè)字節(jié)的空間是在內(nèi)存的堆區(qū)上的。

注意，malloc返回空間的地址，類型是void*。啥是void*呢？其實(shí)，void*的意思是，malloc不知道返回的地址是什么類型的，這要你來告訴他。比如，你想用這40個(gè)字節(jié)的空間來存儲(chǔ)10個(gè)int，你當(dāng)然希望這個(gè)指針是int*類型的，此時(shí)你就會(huì)用一個(gè)int*類型的指針來接收。由于void*和int*畢竟是兩種不同的類型，所以需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。具體的寫法如下：

int* ptr = (int*)malloc(40);

此時(shí)你就有了一個(gè)指針ptr，指向了動(dòng)態(tài)開辟的40個(gè)字節(jié)的連續(xù)空間了，你就可以在這塊空間里為所欲為了。接下來，你還需要掌握一些細(xì)節(jié)。

malloc函數(shù)申請(qǐng)空間一定會(huì)成功嗎？那可不見得！如果你一次申請(qǐng)的空間太多了，比如malloc(INT_MAX);，INT_MAX是整形變量能夠存儲(chǔ)的最大值，你一次申請(qǐng)這么多字節(jié)的空間，那很有可能失敗呀！或者還有一種可能，你的電腦已經(jīng)運(yùn)行了幾百個(gè)進(jìn)程了，內(nèi)存已經(jīng)快被耗干了，哪怕你申請(qǐng)的空間不是很多，也有可能申請(qǐng)失敗。

malloc函數(shù)在申請(qǐng)空間失敗的時(shí)候，會(huì)返回NULL指針。每次使用malloc函數(shù)的時(shí)候，都必須要檢驗(yàn)返回值是不是NULL，否則后面在使用這個(gè)指針的時(shí)候，有可能會(huì)有對(duì)NULL指針的解引用操作，這是非常危險(xiǎn)的！檢查的示例代碼如下：

if (ptr == NULL)
{
    // 錯(cuò)誤處理
    perror("malloc()");
    exit(-1);
}

錯(cuò)誤處理的代碼應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來寫，我這里只是給了一個(gè)常見的處理方式：用perror函數(shù)報(bào)個(gè)錯(cuò)，接著直接用exit函數(shù)結(jié)束進(jìn)程，非常簡(jiǎn)單粗暴。當(dāng)你驗(yàn)完貨，發(fā)現(xiàn)貨的質(zhì)量不對(duì)，直接扭頭就走，不玩了，exit掉。而當(dāng)你覺得這貨的質(zhì)量還可以，就可以使用了。

使用起來非常簡(jiǎn)單，ptr指向了這塊空間的起始地址，由于類型是int*，+1就跳過一個(gè)int，+2就跳過2個(gè)int，以此類推。每次解引用，就可以訪問這塊空間了，比如把1~10放進(jìn)去：

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    *(ptr + i) = i + 1;
}

由于在C語言中，*(a+b)就等價(jià)于a[b]，所以上面的代碼也可以這么寫：

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    ptr[i] = i + 1;
}

有沒有發(fā)現(xiàn)，ptr就像一個(gè)數(shù)組一樣，這個(gè)數(shù)組的容量是10個(gè)int。

3.2 free

注意，動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的空間需要程序員手動(dòng)釋放！前面我們用malloc開辟了一塊空間，并把這塊空間的起始地址交給ptr指針來看管，最后，我們還要使用free函數(shù)來釋放這塊空間。使用方式非常簡(jiǎn)單，你想釋放誰就free誰，比如：

free(ptr);

傳給free函數(shù)的指針必須指向一塊動(dòng)態(tài)開辟空間的起始位置！言外之意就是，你malloc出來一塊空間交給ptr管理后，你還能修改ptr嗎？答案是：不行。你一旦把ptr給改了，就找不到這塊空間的起始位置了，就沒辦法把它free掉了。就相當(dāng)于，警察局有一個(gè)臥底，這個(gè)臥底和一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)是單線聯(lián)系的，如果領(lǐng)導(dǎo)被干掉了，就沒有人知道這個(gè)臥底的身份了。ptr就是這個(gè)領(lǐng)導(dǎo)，malloc開辟出來的這塊空間就是這個(gè)臥底。

你可能會(huì)想：如果我不free，會(huì)怎么樣呢？事實(shí)上，如果程序員沒有手動(dòng)回收動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的空間，當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，這塊空間會(huì)自動(dòng)還給操作系統(tǒng)；如果程序一直不結(jié)束，這塊空間就一直不會(huì)被回收，就一直擱那，占據(jù)資源，浪費(fèi)內(nèi)存，此時(shí)我們稱，造成了內(nèi)存泄漏。

free函數(shù)會(huì)把ptr指針置成NULL嗎？答案是：不會(huì)。free函數(shù)沒有這個(gè)能力。如果你函數(shù)這個(gè)章節(jié)學(xué)的不錯(cuò)，你應(yīng)該知道，C語言調(diào)用函數(shù)時(shí)是值傳遞，函數(shù)內(nèi)部的形參是實(shí)參的一份臨時(shí)拷貝，改變形參不會(huì)影響實(shí)參。也就是說，free函數(shù)內(nèi)部會(huì)有另一個(gè)指針拷貝ptr的值，free函數(shù)會(huì)把這個(gè)指針指向的內(nèi)存空間還給操作系統(tǒng)，但是沒有能力影響外面的ptr指針。

既然ptr指針沒有被置成NULL，也就是說，ptr的還是指向原來malloc申請(qǐng)的那塊空間，但是這塊空間已經(jīng)還給操作系統(tǒng)了！如果還使用ptr指針訪問這塊空間，就造成了內(nèi)存的非法訪問，因?yàn)榇藭r(shí)ptr是一個(gè)野指針！這是很危險(xiǎn)的一件事。所以，在free掉這個(gè)指針之后，最好把它置為NULL，就像這樣：

free(ptr);
ptr = NULL;

最后還有一個(gè)細(xì)節(jié)，如果傳給free函數(shù)的是NULL指針，free函數(shù)什么也不做。free(NULL);相當(dāng)于什么也沒發(fā)生。

來看看一段完整的代碼，來演示malloc和free：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	// 開辟空間
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	// 檢驗(yàn)是否開辟成功
	if (NULL == ptr)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	// 把1~10放到這塊空間里
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		ptr[i] = i + 1;
	}

	// 打印這塊空間里的值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}

	// 釋放這塊空間，別忘了把ptr置NULL
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	
	return 0;
}

輸出結(jié)果：

3.3 calloc

calloc函數(shù)的使用和malloc函數(shù)幾乎完全一樣，只有2個(gè)微小的區(qū)別：

• calloc函數(shù)有2個(gè)參數(shù)，分別表示開辟空間要存儲(chǔ)的元素個(gè)數(shù)和每個(gè)元素的大小。malloc函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，表示要開辟的空間的總大小。
• calloc函數(shù)會(huì)把開辟的空間初始化成0。malloc函數(shù)并不會(huì)做任何處理，所以空間內(nèi)存儲(chǔ)的是隨機(jī)值。也就是說，calloc由于會(huì)對(duì)開辟的空間進(jìn)行初始化，效率會(huì)低一點(diǎn)，相當(dāng)于malloc+memset。

由于使用上就這點(diǎn)區(qū)別，大家看個(gè)例子就懂了。我只是把上面的代碼改一下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	// 開辟空間(40個(gè)字節(jié)，即10個(gè)int)
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	// 檢驗(yàn)是否開辟成功
	if (NULL == ptr)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}

	// 打印這塊空間里的值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}

	// 釋放這塊空間，別忘了把ptr置NULL
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

輸出結(jié)果：

輸出結(jié)果側(cè)面驗(yàn)證了，calloc會(huì)把開辟的空間全部初始化成0。

3.4 realloc

剛剛講了3個(gè)函數(shù)了，也只是把空間開辟出來，然后再還給操作系統(tǒng)，似乎也沒有什么新鮮的？其實(shí)，最后一個(gè)函數(shù)，realloc，會(huì)讓你大開眼界。

realloc函數(shù)可以幫你改變開辟的空間的大小，你可以讓這塊空間任意的變大變小，非常靈活！

realloc函數(shù)的聲明如下：

void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

第一個(gè)參數(shù)是你想擴(kuò)容的空間的起始地址，也就是一開始接收malloc和calloc返回值的指針，第二個(gè)參數(shù)是你想把空間改變的新大小。注意：不是相對(duì)大??！是新大小！

比如，一開始先malloc出40個(gè)字節(jié)的空間，這塊空間能存10個(gè)int：

int* ptr = (int*)malloc(40);
if (NULL == ptr)
{
    // 錯(cuò)誤處理
    // ...
}

如果這塊空間存滿了，你還想再存10個(gè)int進(jìn)去，此時(shí)新空間的大小就是20個(gè)int，即80個(gè)字節(jié)，比原空間多出40個(gè)字節(jié)。再次強(qiáng)調(diào)：realloc的第二個(gè)參數(shù)是新空間的總大??！是最終的大小，而不是相對(duì)的大小。所以如果把原來的40個(gè)字節(jié)的空間翻一倍，應(yīng)該寫realloc(ptr, 80);而不是realloc(ptr, 40);，后一種寫法相當(dāng)于空間大小沒有改變。

realloc函數(shù)會(huì)返回新空間的起始地址，如果擴(kuò)容失敗就會(huì)返回NULL。那能不能這么寫？

ptr = (int*)realloc(ptr, 80);

答案是：不行！你想想，如果擴(kuò)容失敗，返回NULL給ptr，相當(dāng)于既沒有擴(kuò)容成功，還把原來的空間的地址給弄丟了，那不是賠了夫人又折兵嗎？所以，還是那句話，得先驗(yàn)貨，再使用。比如：

int* tmp = (int*)realloc(ptr, 80);
if (tmp == NULL)
{
    // 擴(kuò)容失敗
    perror("realloc");
    exit(-1);
}
else
{
    // 擴(kuò)容成功
    ptr = tmp;
}

那realloc函數(shù)具體是如何做到改變動(dòng)態(tài)開辟空間的大小的呢？

realloc函數(shù)會(huì)先看一眼，原來空間后面的空間夠不夠。比如上面的例子中，realloc函數(shù)會(huì)去看，原來的空間再往后數(shù)40個(gè)字節(jié)的空間有沒有被占用，如果沒有，realloc會(huì)直接把原來空間的后40個(gè)字節(jié)的空間給申請(qǐng)到，再把原來空間的起始地址給返回，此時(shí)是原地?cái)U(kuò)容。

但是如果原來的空間的后面的空間被占用了呢？那就得另外找一塊80個(gè)字節(jié)的空間，把原來的40個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)拷貝過去，接著釋放掉原來的空間，返回新空間的起始地址。這種擴(kuò)容方式稱為異地?cái)U(kuò)容。

還有一點(diǎn)，realloc函數(shù)也可以像malloc函數(shù)一樣使用。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)參數(shù)是NULL時(shí)，realloc函數(shù)的表現(xiàn)和malloc一樣。也就是說，malloc(40);和realloc(NULL, 40);等價(jià)。

我們把最初的程序改造一下，如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	// 開辟空間
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	// 檢驗(yàn)是否開辟成功
	if (NULL == ptr)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	// 把1~10放到這塊空間里
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		ptr[i] = i + 1;
	}

	// 打印這塊空間里的值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	printf("\n");

	// 擴(kuò)容
	int* tmp = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));
	if (NULL == tmp)
	{
		// 擴(kuò)容失敗
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		// 擴(kuò)容成功
		ptr = tmp;
	}

	// 把11~20也放進(jìn)去
	for (int i = 10; i < 20; i++)
	{
		ptr[i] = i + 1;
	}

	// 打印這塊空間的所有值
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}

	// 釋放這塊空間，別忘了把ptr置NULL
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

輸出結(jié)果如下：

總結(jié)

1.有時(shí)我們需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的內(nèi)存管理，如果是靜態(tài)內(nèi)存管理，空間給少了不夠用，給多了又浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理是在堆區(qū)上進(jìn)行的。

2.動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理需要我們掌握4個(gè)函數(shù)，分別是malloc, free, calloc和realloc，它們分別扮演著重要的角色。

3.malloc和calloc負(fù)責(zé)開辟空間，并返回空間的起始地址。如果開辟空間失敗會(huì)返回NULL。

4.malloc函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，表示開辟空間的總大?。籧alloc函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)，分別表示開辟空間能存儲(chǔ)的元素個(gè)數(shù)和每個(gè)元素的大小。

5.malloc函數(shù)不會(huì)對(duì)空間進(jìn)行處理，calloc函數(shù)會(huì)把空間初始化成全0。

6.free函數(shù)可以釋放一塊動(dòng)態(tài)內(nèi)存，傳參時(shí)必須傳這塊空間的起始地址。釋放完后最好置NULL，防止出現(xiàn)野指針。free(NULL)這種寫法free函數(shù)什么都不會(huì)做。

7.realloc函數(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整開辟空間的大小，傳遞參數(shù)時(shí)，第一個(gè)參數(shù)是動(dòng)態(tài)內(nèi)存的起始地址，第二個(gè)參數(shù)是新空間的總大小。如果第一個(gè)參數(shù)是NULL，realloc的表現(xiàn)和malloc一樣。

8.使用malloc, calloc, realloc都需要判斷返回值是不是NULL，并對(duì)相應(yīng)情況進(jìn)行處理。

到此這篇關(guān)于一文帶你了解C語言中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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