C语言内存分配与释放的详解

什么是堆？说到堆，又忍不住说到了栈！什么是 栈？

1、什么是堆：堆是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程 初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。

2、什么是栈：栈是线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立。每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换SS/ESP寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。

C语言程序编译的内存分配，堆与栈的区别：

栈是由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等。操作方式类似于数据结构中的栈。
堆一般由程序员分配释放，若不释放，程序结束时可能由OS回收。注意这里说是可能，并非一定。再强调一次，记得要释放！
栈区(stack) :
//windows下，栈内存分配2M（确定的常数），超出了限制，提示stack overflow错误
//编译器自动分配释放，主要存放函数的参数值，局部变量值等；
堆区(heap)：程序员手动分配释放，操作系统80%内存

全局区或静态区：存放全局变量和静态变量；程序结束时由系统释放，分为全局初始化区和全局未初始化区；

字符常量区：常量字符串放与此，程序结束时由系统释放；

程序代码区：存放函数体的二进制代码。

栗子：

int a=0;        //全局初始化区
char *p1;       //全局未初始化区
void main()
{
   int b;          //栈
   char s[]="bb";  //栈
   char *p2;       //栈
   char *p3="123"; //其中，“123”常量区，p3在栈区
   static int c=0; //全局区
   p1=(char*)malloc(10);   //10个字节区域在堆区
   strcpy(p1,"123");    //"123"在常量区，编译器 可能 会优化为和p3的指向同一块区域
 
}
栈内存

void stackFun(){
  int a[1024];
  //栈内存自动释放
}
堆内存

void heapFun(){
  //40M内存
  //字节
  //void *任意类型的指针
  int* p = malloc(1024 * 1024 * 10 * sizeof(int));

  //释放
  free(p);
}
void main(){ 
  //在堆内存上，分配40M的内存
  while (1){
    Sleep(1000); 
    stackFun();
  }

  getchar();
}
创建一个数组，动态指定数组的大小（在程序运行过长中，可以随意的开辟指定大小的内存，以供使用，相当于Java中的集合）

静态内存分配，分配内存大小的是固定，问题：1.很容易超出栈内存的最大值 2.为了防止内存不够用会开辟更多的内存，容易浪费内存

动态内存分配，在程序运行过程中，动态指定需要使用的内存大小，手动释放，释放之后这些内存还可以被重新使用（活水）

函数：calloc() 分配内存空间并初始化

calloc() 函数用来动态地分配内存空间并初始化为 0，其原型为：

void* calloc (size_t num, size_t size);
calloc() 在内存中动态地分配 num 个长度为 size 的连续空间，并将每一个字节都初始化为 0。所以它的结果是分配了 num*size 个字节长度的内存空间，并且每个字节的值都是0。

【返回值】分配成功返回指向该内存的地址，失败则返回 NULL。

函数：malloc() 动态地分配内存空间

malloc() 函数用来动态地分配内存空间（如果你不了解动态内存分配，请查看：C语言动态内存分配及变量存储类别），其原型为：

void* malloc (size_t size);
应用在程序中代码如下：

void main(){
  //静态内存分配创建数组，数组的大小是固定的
  //int i = 10;
  //int a[i];

  int len;
  printf("输入数组的长度：");
  scanf("%d",&len);

  //开辟内存，大小len*4字节
  int* p = malloc(len * sizeof(int));
  //p是数组的首地址，p就是数组的名称
  //给数组元素赋值（使用这一块刚刚开辟出来的内存区域）
  int i = 0;
  for (; i < len - 1; i++){
    p[i] = rand() % 100;
    printf("%d,%#xn", p[i], &p[i]);
  }
 
  //手动释放内存
  //free()释放动态分配的内存空间
  free(p);

  getchar();
}
realloc 重新分配内存

void main(){
  int len;
  printf("第一次输入数组的长度：");
  scanf("%d", &len);

  //int* p = malloc(len * sizeof(int)); 
  int* p = calloc(len, sizeof(int));
  int i = 0;
  for (; i < len; i++){
    p[i] = rand() % 100;
    printf("%d,%#xn", p[i], &p[i]);
  }

  int addLen;
  printf("输入数组增加的长度：");
  scanf("%d", &addLen);
  //内存不够用，扩大刚刚分配的内存空间
  //1.原来内存的指针 2.内存扩大之后的总大小  
  int* p2 = realloc(p, sizeof(int) * (len + addLen));
  if (p2 == NULL){
    printf("重新分配失败，世界那么大，容不下我。。。");
  }
新分配内存的两种情况：

//缩小，缩小的那一部分数据会丢失

//扩大，（连续的）

1.如果当前内存段后面有需要的内存空间，直接扩展这段内存空间，realloc返回原指针

2.如果当前内存段后面的空闲字节不够，那么就使用堆中的第一个能够满足这一要求的内存块，将目前的数据复制到新的位置，并将原来的数据库释放掉，返回新的内存地址

3.如果申请失败，返回NULL，原来的指针仍然有效

//接着上面的代码重新赋值
  i = 0;
  printf("--------------------------n");
  for (; i < len + addLen; i++){
    p2[i] = rand() % 200;
    printf("%d,%#xn", p2[i], &p2[i]);
  }

  //手动释放内存
  if (p != NULL){
    free(p);
    p = NULL;
  } 
  if (p2 != NULL){
    free(p2);
    p2 = NULL;
  }

  getchar();
}
内存分配的几个注意细节

1.不能多次释放；

2.释放完之后（指针仍然有值），给指针置NULL，标志释放完成；

3.内存泄露（p重新赋值之后，再free，并没有真正释放内存）；

void main(){
  int len;
  printf("输入数组的长度：");
  scanf("%d", &len);

  int* p = malloc(len * sizeof(int));  
  int i = 0;
  for (; i < len; i++){
    p[i] = rand() % 100;
    printf("%d,%#xn", p[i], &p[i]);
  }

  if (p != NULL){
    free(p);
    p = NULL;
  }

  getchar();
}

　刚刚在一篇博文看到一个简单的问题：

//code1
char* toStr()
{
    char *s = "abcdefghijkl";
    return s;
}
int main()
{
    cout << toStr() << endl;
    return 0;
}

//code2
char* toStr()
{
    char s[] = "abcdefghijkl";
    return s;
}
int main()
{
    cout << toStr() << endl;
    return 0;
}

　　两段代码都很简单，输出一段字符，类型不同，一个是char*字符串，一个是char[]数据。

　　结果你知道吗? 这个我确实知道，相信大部分人也都回知道，必然有一个不好使，或者两个都不好使！！！都对就没意思了~

　　结果：第一个正确输出，第二个输出乱码。

　　原因：在于局部变量的作用域和内存分配的问题，第一char*是指向一个常量，作用域为函数内部，被分配在程序的常量区，直到整个程序结束才被销毁，所以在程序结束前常量还是存在的。而第二个是数组存放的，作用域为函数内部，被分配在栈中，就会在函数调用结束后被释放掉，这时你再调用，肯定就错误了。

内存分配

　　什么是局部变量、全局变量和静态变量？

　　顾名思义，局部变量就是在一个有限的范围内的变量，作用域是有限的，对于程序来说，在一个函数体内部声明的普通变量都是局部变量，局部变量会在栈上申请空间，函数结束后，申请的空间会自动释放。而全局变量是在函数体外申请的，会被存放在全局（静态区）上，知道程序结束后才会被结束，这样它的作用域就是整个程序。静态变量和全局变量的存储方式相同，在函数体内声明为static就可以使此变量像全局变量一样使用，不用担心函数结束而被释放。

相关函数：

void *malloc(size_t size);
void free(void *p);

/*一般这样用
Struct elem *p;
p = (struct elem*)malloc(sizeof(struct elem))

void free(p)
*/

malloc原理

　　malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。如果无法获得符合要求的内存块，malloc函数会返回NULL指针，因此在调用malloc动态申请内存块时，一定要进行返回值的判断。

分类：

栈区（stack）—由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
堆区（heap）—一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表
全局区（静态区）（static）—全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态　　                                变量在相邻的另一块区域。  程序结束后由系统释放。
常量区—常量字符串就是放在这里的，直到程序结束后由系统释放。上面的问题就在这里！！！
代码区—存放函数体的二进制代码。
直接搬运的代码，确实很好！！容易理解

//main.cpp   
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
   
main()
{
    int b; //栈
    char s[] = "abc"; //栈
    char *p2; //栈
    char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。
    static int c =0;//全局（静态）初始化区
    p1 = (char *)malloc(10);   
    p2 = (char *)malloc(20);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
    strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。       
}

此外，还有realloc(重新分配内存)、calloc（初始化为0）、alloca（在栈上申请内存，自动释放）等。
以上就是C语言中对内存的分配与释放，常用的几个函数~