申请动态内存——malloc()函数及其扩展函数

1.malloc()概述——申请动态内存

malloc(num)向系统申请num字节的动态内存，内存于“堆”里存放，若申请成功，则函数返回(无类型)数组的首地址，失败则返回NULL，并且申请之后的内存中并没有初始化。该函数需要引用头文件——stdlib.h。
由于“堆”有一个特性——由程序自行管理内存，所以在申请了动态内存之后，需要利用free()自行释放，这是为了避免出现野指针，并且把指向这块内存的指针指向NULL，防止之后的程序再用到这个指针。如果不自行释放的话，就会造成内存泄露——可用内存越来越少，设备速度越来越慢。
检验是否出现内存泄露的工具VLD，下载、配置好之后只需要在程序中加上头文件——vld.h，在调试状态下的输出栏就可以知道是否发生内存泄露。

2.malloc() 代码：

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

int main()
{
    int *p = (int *)malloc( sizeof(int)*10 );//申请了40个字节的动态内存

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

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

    free(p);
    p = NULL://防止后面的程序再用到
    return 0;
}

声明为：void* malloc(unsigned size)；其中，size为申请的总字节大小。
malloc()函数返回的是一个无类型的指针(void *)，所以可以根据程序的需要来对其进行强转。
在本例中，申请了40字节的动态内存，将返回的地址强转为int *型，再将地址赋给了整型指针变量 p，那么p就是指向了一个含有10个int型数据的数组，再对其进行赋值、打印。
使用完动态内存之后，最后free掉，避免出现野指针。

运行结果见下图：

3.calloc()概述——申请动态内存且进行初始化

该函数的声明为：void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement); 其中第一个参数代表的是元素个数，第二个参数代表的是这些数据的类型。
calloc()函数在malloc()函数的基础上，将申请的动态内存里的数据进行了初始化，把它们都初始化为0。
calloc()实现的初始化置零操作，可以被malloc()替代，即在使用malloc()申请完动态内存之后再通过其他的代码块实现初始化置零,与calloc()是等价的。(见以下代码)

4.calloc() 代码

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

    //与上述操作作用相同
    int *q = (int *)calloc(10, sizeof(int));

    return 0;
}

5.realloc()概述——对原动态内存块进行扩容

该函数的声明为：void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);其中第一个参数指的是原内存块的首地址，第二个参数指的是新的动态数组的字节大小。
如果，在使用malloc()申请的动态内存之后，发现不够用了，这时扩容函数就排上用场了。

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

    //在使用的过程中，发现p的长度不够用了，需要20个格子
    int *q = (int *)malloc( 20*sizeof(int) );
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        q[i] = p[i];//搬家
    }

    //free(p);//拆旧家//考虑到之后要free q，因为同一个程序里，不能free两次，这里就不直接free p了

    p = q;//改地址
    q = NULL;//拆旧家//这步很关键，两个指针不能同时指向同一个地址 —> 浅拷贝

    free(p);

    //与上述操作相同
    int *p = (int *)malloc( 10*sizeof(int) );
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        p[i] = i;
    }//不够用
    p = (int*)realloc( p, 20*sizeof(int) );
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

7.如何缩小数组的容量？

其实，realloc()函数中的第二个函数指定的就是新的内存块大小，所以即便是要缩小数组的容量，也可以用realloc()函数来达到目的，并且不会改变内存中的内容。

8.free(p)

free()一般与malloc()配对使用，千万别忘记释放内存块，这会造成内存泄露这样严重的问题。
free()函数只需要将指向该内存块的指针作为参数传入，就可以释放这块内存，注意！！！释放的是这一块内存，而不是指向这一块内存块的指针p，所以在free(p)之后，有必要将p赋值为NULL，避免之后的程序用到它，程序会崩溃的，因为这是一个野指针。

9.free(p)释放内存的时候，是如何读取长度信息的呢？

首先，malloc()实际上申请的内存块会稍大于它实际申请的字节数，见下图。

第一部分：可用空间，用来存放用户所需数据的地方。第二部分：管理信息，这就是多出来的部分，用来存放分配块的长度，指向下一个分配块的指针等信息。
free()就是通过读取第二部分中的管理信息来释放内存块的。(具体释放过程有机会补充啊~)
如果，将指向内存块的指针p移动了，那么内存块中的管理信息也会发生变化，释放的时候就会出现问题，这就是free()释放失败的其中一个原因。第二个原因——重复释放，但是重复释放空指针是个例外，是可以重复的，只不过没有实际意义。第三个原因——越界，既然free是通过读取内存块的管理信息来达到正确释放的目的，那么越界释放就是错的了，不能正确读取释放信息。

10.free()的实现过程

malloc()申请的内存块中，记录管理信息部分的实际上是一个结构体，见下。

struct mem_control_block 
 {

    int is_available;    //一个标记

    int size;            //实际空间的大小

 };

我们可以看到在结构体mem_control_block 中，有两个管理信息——标记变量和内存块的实际大小，其中，标记变量的作用是什么呢？这恰恰就是free()所需要的一个重要信息。
再看，free()的源代码：

void free(void *ptr) 
{
     struct mem_control_block *free;

     free = ptr - sizeof(struct mem_control_block);

     free->is_available = 1；     
     return;
}

首先，定义了结构体指针free，指向了( ptr - sizeof(struct mem_control_block) )，再将结构体中的标记变量 is_available 置为1，释放过程结束。
ptr是传入的指向内存块的指针，减去sizeof(struct mem_control_block),就是ptr向前移动了一个结构体的长度，再改变标记变量的值，使得这一块被实际申请的动态内存可用(释放成功)。
也就是说，这个标记变量就是一个开关，值为0时代表这块内存被申请占用了，被free了之后值为1就代表没有被占用了，可以用做其他的事情了。