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c语言动态内存管理

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1.为什么存在动态内存分配

通常的内存开辟方式有：

int val = 20;  //在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};  //在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

空间开辟大小是固定的。
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。这时候就只能试试动态存开辟了。

2.动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);  
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return -1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}
	free(p);  //释放p所指向的动态内存
	p = NULL;
	return 0;
}

其中malloc函数分配空间时的写法，前面加int* 时为了将malloc原本的void* 强制转换为int类型值。

运行结果：

在这里插入图片描述

从结果可以得证，malloc申请的是一片未初始化的连续空间。

注意：在使用malloc开辟空间时，使用完成一定要释放空间，如果不释放会造内存泄漏。在使用malloc函数开辟的空间中，不要进行指针的移动，因为一旦移动之后可能出现申请的空间和释放空间大小的不匹配

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前*把申请的空间的每个字节初始化为全0.

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

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

ptr 是要调整的内存地址
size 是调整之后新大小
返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
- 情况1：原有空间之后有足够大的空间
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return -1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return -1;
	}
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d\n", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

可见，当扩大空间时，且原空间不足，会自动开辟了一块新的空间！！

3.常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;  //如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
	return 0;
}

3.2对动态开辟空间的越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;  //当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
	return 0;
}

因越界访问，程序崩溃：

在这里插入图片描述

3.3对非动态开辟内存使用free释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);  //程序崩溃
	return 0;
}

free是释放动态内存空间的，而并非静态空间！！

3.4使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);  //p不再指向动态内存的起始位置
	return 0;
}

3.5对同⼀块动态内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p); //重复释放
	return 0;
}

3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
	return 0;
}

忘记释放不再使⽤的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

**切记：**动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

4.C/C++程序的内存开辟

在这里插入图片描述

C/C++程序内存分配的几个区域：

栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
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。分配方式类似于链表。
数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。

但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长。

5.柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。

C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];  //柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

5.1 柔性数组的特点：

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
包含柔性数组成员的结构用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。

例如：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

5.2柔性数组的使用

//方法一
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

5.3柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//方法二
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;
}type_a;

int main()
{
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	p->i = 100;
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

上述代码1 和代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：

第一个好处是：方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。

第二个好处是：这样有利于访问速度.

连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）。

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