C语言-动态内存管理

一、为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 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。

二、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); //malloc申请到空间后直接返回这块空间的起始地址，不会初始化空间的内容

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); 
//malloc申请的内存空间，当程序退出时，还给操作系统
//当程序不退出，动态申请的内存，不会主动释放的
//需要使用free函数来释放

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。

int main()
{
	//int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//开辟成功
	int i = 0;
	for (i; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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);  //返回的也是空间的起始地址

• 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

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p = NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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，那为了合理的时候内存，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 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。（1.开辟新的空间 2.会将旧的空间中的数据拷贝到新的空间 3.释放旧的空间 4.返回新空间的起始地址）

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//初始化为1-10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	//增加一些空间
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d\n", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p = NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//对动态开辟空间的越界访问
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		p[i] = i;//越界访问
	}
	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//非动态开辟的空间不需要释放
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放
	free(p);   //p指向的空间已经不是起始位置了
	p = NULL;

	return 0;
}

3.5 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
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1); //忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
}

  动态申请的内存空间，不会因为出了作用域自动销毁！
  只有两种方式销毁：1.free。2.程序结束（退出）

四、经典题目

4.1

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	//GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");  //传的还是str变量本身，所以str指向的还是空指针
	printf(str);
	//释放
	//free(str);
	//str=NULL
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}   
//1.对NULL指针进行了解引用操作，程序会崩溃
//2.没有释放空间，内存泄漏的问题

4.2

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	//static char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);   //p指针出了作用域，指向的空间已经被销毁了，它是野指针，就非法访问了
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.3

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//忘记释放空间
	//free(str)
	//str=NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.4

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	//str=NULL;    //str释放后没有置为空指针，造成了非法访问
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");  
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

五、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。

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。

struct S
{
	int n;
	int arr[0];//柔性数组,前面至少有一个其他成员
};

int main()
{
	//printf("%d\n", sizeof(struct S));
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i + 1;
	}

	//空间不够，需要增容
	struct S*ptr=realloc(ps,sizeof(struct S)+60);
	if (ptr = NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	ps = ptr;
	ps->n = 15;
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

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）