动态内存管理及常见错误malloc()、realloc()、calloc()、free()

引入

在确定用哪种存储类别后，根据已制定好的内存管理规则，将自动选择其作用域和存储期。然而，还有更灵活地选择，即用库函数分配和管理内存。
首先，回顾一下内存分配。所有程序都必须预留足够的内存来储存程序使用的数据。这些内存中有些是自动分配的。例如，以下声明：
int plates[100];
该声明预留了100个内存位置，每个位置都用于储存int类型的值。声明还为内存提供了一个标识符。因此，可以使用x或place识别数据。回忆一下，静态数据在程序载入内存时分配，而自动数据在程序执行块时分配，并在程序离开该块时销毁。

动态内存函数介绍

malloc()和free()

viod* calloc(size_t num, size_t size);

malloc()函数，该函数接受一个参数:所需的内存字节数。malloc()函数会找到合适的空闲内存块，这样的内存是匿名的。也就是说，malloc()分配内存，但是不会为其赋名。然而，它确实返回动态分配内存块的首字节地址。因此，可以把该地址赋给一个指针变量，并使用指针访问这块内存。因为char表示1字节，malloc()的返回类型通常被定义为指向char的指针。然而，从ANSI C标准开始，C使用一个新的类型：指向void的指针。该类型相当于一个“通用指针”。malloc()函数可用于返回指向数组的指针、指向结构的指针等，所以通常该函数的返回值会被强制转换为匹配的类型。在ANSI C中，应该坚持使用强制类型转换，提高代码的可读性。然而，把指向 void的指针赋给任意类型的指针完全不用考虑类型匹配的问题。如果 malloc()分配内存失败，将返回空指针。

我们试着用 malloc()创建一个数组。除了用 malloc()在程序运行时请求一块内存，还需要一个指针记录这块内存的位置。例如，考虑下面的代码：

double * ptd;
ptd = (double *) malloc(30 * sizeof(double));

以上代码为30个double类型的值请求内存空间，并设置ptd指向该位置。
注意，指针ptd被声明为指向一个double类型，而不是指向内含30个double类型值的块。回忆一下，数组名是该数组首元素的地址。因此，如果让ptd指向这个块的首元素，便可像使用数组名一样使用它。也就是说，可以使用表达式ptd[0]访问该块的首元素，ptd[1]访问第2个元素，以此类推。根据前面所学的知识，可以使用数组名来表示指针，也可以用指针来表示数组。

现在，我们有3种创建数组的方法：
1.声明数组时，用常量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元
素。可以用静态内存或自动内存创建这种数组。
2.声明变长数组时，用变量表达式表示数组的维度，用数组名访问数组的元素。具有这种特性的数组只能在自动内存中创建。
3.声明一个指针，调用malloc()，将其返回值赋给指针，使用指针访问数组的元素。该指针可以是静态的或自动的。

通常，malloc()要与free()配套使用。free()函数的参数是之前malloc()返回的地址，该函数释放之前malloc()分配的内存。因此，动态分配内存的存储期从调用malloc()分配内存到调用free()释放内存为止。设想malloc()和free()管理着一个内存池。每次调用malloc()分配内存给程序使用，每次调用free()把内存归还内存池中，这样便可重复使用这些内存。free()的参数应该是一个指针，指向由 malloc()分配的一块内存。不能用 free()释放通过其他方式（如，声明一个数组）分配的内存。

注意，free()函数位于程序的末尾，它释放了malloc()函数分配的内存。free()函数只释放其参数指向的内存块。一些操作系统在程序结束时会自动释放动态分配的内存，但是有些系统不会。为保险起见，请使用free()，不要依赖操作系统来清理。

使用动态数组有什么好处？假设你已经知道，在大多数情况下程序所用的数组都不会超过100个元素，但是有时程序确实需要10000个元素。要是按照平时的做法，你不得不为这种情况声明一个内含 10000 个元素的数组。基本上这样做是在浪费内存。如果需要10001个元素，该程序就会出错。这种情况下，可以使用一个动态数组调整程序以适应不同的情况。

free()的重要性

int　main()
{
	double　glad[2000];
	int　i;
	for　(i　=　0;　i　<　1000;　i++)
	gobble(glad,　2000);
	
	for　(i　=　0;　i　<　1000;　i++)
	gobble(glad,　2000);
}

void　gobble(double　ar[],　int　n)
{
	double * temp = (double *) malloc( n * sizeof(double));
.../* free(temp); // 假设忘记使用free() */
}

第1次调用gobble()时，它创建了指针temp，并调用malloc()分配了16000字节的内存（假设double为8 字节）。假设如代码注释所示，遗漏了free()。当函数结束时，作为自动变量的指针temp也会消失。但是它所指向的16000字节的内存却仍然存在。由于temp指针已被销毁，所以无法访问这块内存，它也不能被重复使用，因为代码中没有调用free()释放这块内存。

第2次调用gobble()时，它又创建了指针temp，并调用malloc()分配了16000字节的内存。第1次分配的16000字节内存已不可用，所以malloc()分配了另外一块16000字节的内存。当函数结束时，该内存块也无法被再访问和再使用。

循环要执行1000次，所以在循环结束时，内存池中有1600万字节被占用。实际上，也许在循环结束之前就已耗尽所有的内存。这类问题被称为内存泄漏（memory leak）。在函数末尾处调用free()函数可避免这类问题发生。

calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);

典型的用法如下：

long * newmem;
newmem = (long *)calloc(100, sizeof (long));

和malloc()类似，calloc()也返回指向char的指针；在ANSI之后，返回指向void的指针。如果要储存不同的类型，应使用强制类型转换运算符。calloc()函数接受两个无符号整数作为参数（ANSI规定是size_t类型）。第1个参数是所需的存储单元数量，第2个参数是存储单元的大小（以字节为单位）。在该例中，long为4字节，所以，前面的代码创建了100个4字节的存储单元，总共400字节。

**用sizeof(long)而不是4，提高了代码的可移植性。这样，在其他long不是4字节的系统中也能正常工作。**calloc()函数还有一个特性：它把块中的所有位都设置为0（注意，在某些硬件系统中，不是把所有位都设置为0来表示浮点值0）。

realloc

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

有时候我们发现过去申请的空间太小，有时候我们又觉得申请的空间太大，为了合理地使用内存，我们一定会对内存做灵活的调整。该函数就是重新分配内存，把内存扩展到 newsize。
realloc在调用存储空间的是存在两种情况：
1.原有空间之后有足够的空间，要扩展内存就直接在原有空间的基础上直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
2.原有空间之后没有足够大空间，为了保持数据的连续性，系统会在内存中开辟一块新的内存空间来存放原有的数据，而原来额数据会在系统运行时系统自动收回，需要说明的是，函数返回的是新的内存地址。同样的，realloc()需要判断是否为空指针，需要进行free()。

常见的动态内存错误

1 对NULL的解引用操作

void test()
{
	int *p = (int*)malloc(40);
	//万一malloc失败，p就被赋值为NULL
	*p = 0;//err

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p+i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

2 对动态内存开辟的越界访问

void test()
{
	int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 0;
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

3 对非动态开辟内存的free

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	*p = 20;//栈区上的指针

	free(p);//堆区上的指针
	p = NULL;
	return 0;
}

4 使用free释放一块动态内存开辟的一部分

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放
}

6 动态内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
		return;

	*p = 20;
}