动态内存管理

1. 为什么存在动态内存管理

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. 数组在声明时，必须指定数组的长度，它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。
这时候就只能动态内存开辟了。

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：

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，则返回一个指向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的行为是标准未定义的，取决于编译器。

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

free函数用来释放动态内存开辟的内存。

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

malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。
for example：

#include 
#include 
int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = {0};
	//代码2
	int *ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
	if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for(i=0;i<num;i++)
		{
			*(ptr+i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NUL;//是否有必要？
	//Notice that this function does not change the value of ptr itself, hence it still points to the same (now invalid) location.
	//注意，这个函数不会改变ptr本身的值，因此它仍然指向相同的位置(现在是无效的)。  
	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：

• 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 
#include 
int main()
{
	int *p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
	if(NULL != p)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何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灵活。

• 有时候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，那为了合理的申请内存，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。
  

• ptr是要调整的内存地址

• size是调整之后的新大小

• 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：

  1. 原有空间之后有足够大的空间
  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。
  for example:

#include 
int main()
{
	int *ptr = (int*)malloc(100);
	if(ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr,1000);//这样可以吗？
	//不可以，因为如果realloc调整空间失败会返回一个空指针，这样连原来申请的空间都找不到了。
	//代码2
	int *p = NULL;
	p = realloc(ptr,1000);
	if(p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

#include 
#include 
int main()
{
	int *p = (int*)malloc(INT_MAX/4);//INT_MAX是整型最大值
	if(p ==NULL)
		return 0;
	int i =0;
	for(i=0;i<10;i++)
	{
		*(p+i)=i;//如果p的值是NULL就会有问题
	}
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int i = 0;
	int *p =(int*)malloc(10*sizeof(int));
	if(NULL==p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for(i=0;i<=10;i++)
	{
		*(p+i)=i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

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);
	//free只能释放malloc，calloc，realloc开辟的空间
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

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

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。
切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1：

void GetMemory(char *p) {
 p = (char *)malloc(100);//形参p出函数会销毁
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

正确的代码：

void GetMemory(char **p)
{
	*p=(char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str=NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str,"hello world");
	printf(str);
	str=NULL;
}

4.2 题目2：

char *GetMemory(void)
{
	char p[]="hello world");
	return p;
}
void Test(void)
{
	char *str=NULL;
	str=GetMemory();
	printf(str)
}

数组p出函数后，数组开辟的空间就被销毁了，此时str就变成了野指针，原本的数组空间内容可能被改变了，所以打印出来的是随机值
再看两个例子：
例1：

int test()
{
	int a=10;
	return 0;
}
int main()
{
	int m =test();
	printf("%d\n",m);
	return 0;
}

这样写代码是可以的，因为返回的是变量本身，而不是栈空间地址。

例2：

int *test()
{
	int a=10;
	return &a;
}
int main()
{
	int *p=test();
	printf("%d\n",*p);
	return 0;
}

运行结果会怎么样？

我们发现运行结果没有问题仍然是10，为什么？
这是因为原本a开辟的空间没有被使用而已
请看：

printf函数的调用覆盖了a原本的栈帧空间。

4.3 题目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);
}

这个代码只有一点小问题，没有free
再添上

free(str);
str=NULL;

就行。

4.4 题目4：

void Test(void) {
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

free完后应主动将其赋成NULL；

5. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

有了这幅图，我们就可以更好的理解static关键字修饰局部变量的例子了。
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。

6. 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。

例如：

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;

6.1 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：

//code1
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出是4.

6.2 柔性数组的使用

//代码1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++) {
 p->a[i] = i; }
free(p);

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。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//代码2
typedef struct st_type
{
 	int i;
 	int *p_a; 
 }type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100; p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++) 
{
 	p->p_a[i] = i; 
 }
	//释放空间
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;

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）