第十六章 动态内存分配

前言

1. 先要搞明白一个问题，什么是动态分配，什么是静态分配？
   1. 举例来说，在声明数组时，必须明确告诉编译器数组的大小，之后编译器(程序在编译的时候就会分配内存)就会在内存中为该数组开辟固定大小的内存。有些时候，用户并不确定需要多大的内存，使用多大的数组，为了保险起见，有的用户采用定义一个大数组的方法，开辟的数组大小可能比实际所需大几倍甚至十几倍，这造成了内存的浪费，带来了极大的不便。另一方面，即使用户确切知道要存放的元素个数，但随着问题的深入，元素数目可能会变化，变少还好处理，可如果数目增加呢，用什么来存储的，类似于数组内存这种分配机制就称为静态分配，很明显，静态分配是由编译器完成的，在程序执行前便已指定。
   2. 显而易见，静态分配虽然直观，易理解，但存在明显的缺陷，不是容易浪费内存就是内存不够用，为解决这一问题，C语言引入了动态分配机制。
   3. 所谓动态分配，是指用户可以在程序运行期间根据需要申请或释放内存，大小也完全可控。动态分配不像数组内存那样需要预先分配空间，而是由系统根据程序需要动态分配，大小完全按照用户的要求来，当使用完毕后，用户还可释放所申请的动态内存，由系统回收，以备他用。
2. 从前面我们知道:
   1. 内存是当定义一个变量时,系统才会分配内存给这个变量
   2. 这些内存要么是代码块结束时释放,要么是整个程序结束时释放,都是由系统自动控制
3. 疑问:我们能不能,不定义变量而先分配一块内存,并且我们来控制他的销毁时刻呢?
4. 堆区:就是这种情况,内存由程序员随时开辟,并且必须由程序员释放,否则只有等到程序结束会回收
5. 由于我们直接分配了一段内存,而且不指明任何类型变量,那我们怎么来用这块内存呢?内存是由地址构成,因此只要我们拿到这块内存的第一个地址就行了,即用void *指针表示这个块内存

怎样建立内存的动态分配

对于内存的动态分配是通过系统提供的库函数来实现的,主要有malloc,calloc,free,realloc这4个函数,函数的声明在stdlib.h文件中

1. malloc函数
   1. 函数原型为: void *malloc(unsigned int size);

   2. 其作用是在内存的动态存储区域中分配一个长度为size的连续存储空间.函数的返回值是所分配内存的第一个字节地址,或者说,此函数是一个指针函数,返回的指针指向该分配区域的开头位置.如:

       //开辟100字节的零时分配域,函数值为第一个字节的地址    
       `malloc(100);`  
      

   3. 注意:指针类型为void * ,即不指向任何数据类型,只提供一个地址,如果函数未能成功的执行(如内存空间不够),则返回空指针(NULL);
   4. 函数返回类型是void*，用其返回值对其他类型指针赋值时，必须进行显式转换。
   5. size仅仅是申请字节的大小，并不管申请的内存块中存储的数据类型，因此，申请内存的长度须由程序员通过“长度×sizeof（类型）”的方式给出，举例来说
      1. int* p=(int*) malloc(5* sizeof(int) );
2. calloc函数
   1. C语言标准库函数还提供了calloc函数用以动态申请内存，和malloc函数以字节为单位申请内存不同，calloc函数是以目标对象为单位分配的，目标对象可以是数组，也可以是结构体等。
   2. 函数原型为: void *calloc(unsigned n,unsigned size);
   3. calloc需要两个参数以指定申请内存块的大小，一是对象占据的内存字节数size，二是对象的个数num。
   4. 其作用是在内存的动态存储区域中分配n个长度为sized的连续空间,这个空间一般比较大,足以保存一个数组.

   5. 用calloc函数可以为一维数组开辟动态存储空间,n为数组元素的个数,每个元素的长度为size.这就是动态数组,函数返回指向所分配的起始位置的指针,如果分配不成功,则返回空指针(NULL);如:

       //开辟5*40个 字节的临时分配区域,把起始地址赋值给指针变量p   
       `p = calloc(50,4);` 
      

   6. 函数返回类型也是void*，需要强制转换才能为其他类型的指针赋值。
   7. calloc会自动将内存初始化为0，malloc就不会
3. free函数
   1. 函数原型为: void free(void *p);
   2. 其作用是释放指针变量p所指向的动态空间,使这部分空间能重新被其他变量使用.p应是最近一次调用calloc或者malloc函数时得到的函数返回值.如: free(p);
   3. 函数free无返回值.
4. realloc函数
   1. 函数原型为: void *realloc(void *p ,unsigned int size);
   2. 如果已经通过malloc或者calloc函数申请了一些动态存储空间,想改变其大小,可以用realloc函数重新分配
   3. 函数有两个参数
      1. 已分配的内存地址
      2. 重新分配的字节数
   4. 用realloc函数将p所指向的动态空间的大小改变为size.p的值不变,如果重分配不成功,返回NULL.如: realloc(p,50);
   5. relloc 如果可以拓展就拓展，否则就重新分配
      1. 拓展就是在原来地址后面增加内存。
      2. 不够的情况下，就回收原来的内存，并在回收之前分配一片内存，将原来的内容拷贝过来。然后收回原来的内存

动态申请内存分析

1. 下例，p是main函数中定义的变量，执行free(p)操作对p有什么影响呢？p会被删除么？如果没有被删除，p的值是多少，自动变为NULL么？看完，这些问题便迎刃而解。

2. 代码‑  free函数把指针怎么了

    #include <stdio.h>  /*使用printf要包含的头文件*/
    #include <stdlib.h>
    void main(void)  /*主函数*/
    {/*声明一int型指针p，并申请一块动态内存，用其首地址为p初始化*/
        int *p=(int*)malloc(10*sizeof(int));
        if(p==NULL)  /*防错处理，看内存申请是否成功*/
        {
            printf("内存申请失败，退出");
            return;
        }
        printf("p的值是%p\n",p);  /*输出p的值*/
        free(p);    /*释放动态内存*/
        printf("p的值是%p\n",p);  /*输出p的值*/
        //安全释放，让指针p指向NULL
        p = NULL;
        getchar();  /*等待，按任意键继续*/
    }
       
    // 输出结果为： p的值是0x00146430    p的值是0x00146430
   

   1. 可以看出free函数仅仅是找到指针p所指的首地址的内存释放掉
   2. 对指针p没有作用，指针p仍然指向原来的地址
   3. 但是注意此时的p指向的是一块已经被释放掉的内存
      1. 指针p不能在使用
         1. 此时指针p指向的是已经释放的内存，而且内存中存在的是一些垃圾数据，如果使用会造成不可预知的问题
         2. 此时的指针也叫迷途指针
      2. 指针p不能再次被释放
         1. 重复释放已经释放的内存，会崩溃
      3. 指针的安全释放
         1. 如下；

             free(p);
             p = NULL;
            

         2. 如果此时将p = NULL,就可以再次被释放，即只有NULL指针可以被反复释放
         3. 而且如果使用NULL指针，程序运行的时候就会提示，不会造成问题。

释放已经释放了的内存会出问题

1. 既然使用已经释放了的内存是非法的，那释放已经释放了的内存会怎样的？一般来说，程序同样会崩溃。用户一般不会对同一指针多次释放，但如所示的错误却经常会犯！！！！。

2. 代码‑  释放已经释放了的内存

    #include <stdio.h>  /*使用printf要包含的头文件*/
    #include <stdlib.h>
    void main(void)  /*主函数*/
    {/*声明一int型指针p，并申请一块动态内存，用其首地址为p初始化*/
        int *p=(int*)malloc(10*sizeof(int));
        if(p==NULL)  /*防错处理，看内存申请是否成功*/
        {
            printf("内存申请失败，退出");
            return;
        }
        //经常犯的错误！！！！！！不同指针指向同一块内存，然后对每个指针进行释放。
        int *z=p;
        free(p); /*释放动态内存*/
        free(z);/*再次释放内存*/
        getchar();/*等待，按任意键继续*/
    }
   

内存泄漏

1. 已经知道“释放动态内存，并不意味着指针会消亡，也不意味着指针的值会改变”
2. 但“指针消亡，动态内存是否会自动释放呢”？

3. 否，如果没有释放内存，但记录该块内存的指针消亡了或者是指针的值发生了改变，这块内存将永远得不到回收，造成了内存泄漏，如果程序长时间运行的话，不断的泄漏可能使得系统内存耗尽而崩溃。

    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>
    void main(void)
    {
     //分配的内存永远不会被释放
    	int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    	p = NULL;
    	getchar();
    }